Lichtempfindliche Kohlenstoffatome machen das Internet schneller

Mit der Entwicklung eines ersten Photodetektors hält Graphen Einzug in die Opto-Elektronik.

Unter Mitwirkung von Thomas Müller, Elektrotechniker der Technischen Universität Wien, wurde der erste Photodetektor aus zweidimensionalen Kohlenstoffkristallen ("Graphen") hergestellt. Die Forschungsergebnisse aus der Opto-Elektronik könnten die Datenübertragung im Internet revolutionieren.

Dem IBM Thomas J. Watson Forschungszentrum ist es in Kooperation mit Thomas Müller vom Institut für Photonik der TU Wien erstmals gelungen, auf Graphen basierende Photodetektoren herzustellen. Graphen ist eine Kohlenstoffschicht, die nur ein Atom dick ist - gewissermaßen ein Blatt Papier aus Kohlenstoffatomen, aber eine Million mal dünner. Dieses erste, zweidimensionale Material gilt seit einigen Jahren als Hoffnungsträger in der Elektronik, wo es auf längere Sicht Silizium ablösen könnte. Superlative sind hier durchaus angebracht: Graphen ist nicht nur das dünnste, steifste und stärkste bekannte Material, es besitzt auch die höchste Wärmeleitfähigkeit, ist absout undurchlässig für Gase, und leitet elektrischen Strom besser als sämtliche anderen Materialien.

 

 

Abb.: Schematische Darstellung eines Graphen-Photodetektors (Bild: IBM)

 

Mit der Entwicklung des neuen Photodetektors hält das Material nun auch Einzug in die Opto-Elektronik und ebnet den Weg für schnellere Datenübertragung im Internet. Die erste Generation dieser neuartigen Photodetektoren arbeitet bereits bei einer Datenrate von 10 Gigabit je Sekunde, also so schnell wie jene Detektoren, die in heutigen Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen eingesetzt werden. Weitere Untersuchungen zeigen, dass mit der neuen Technologie in Zukunft Datenraten von bis zu einem Terabit je Sekunde - also noch 100-mal schneller - zu erwarten sind.

Auch die optischen Eigenschaften von Graphen können sich sehen lassen: Es absorbiert Licht mindestens 10-mal stärker als die meisten anderen Stoffe und ist somit, obwohl nur ein Atom dünn, mit freiem Auge sichtbar. Die damit realisierten Photodetektoren können somit nicht nur 10 mal kleiner sondern auch 10 mal schneller als mit anderen Materialien hergestellt werden.

Photodetektoren werden üblicherweise aus Halbleitern wie Silizium oder Galliumarsenid hergestellt. Treffen Photonen (Lichtteilchen) auf das Material, so erzeugen sie sogenannte Elektronen-Loch-Paare, die in einem elektrischen Feld getrennt werden, was zu einem Stromfluss führt. Dabei wird das Feld üblicherweise über eine elektrische Spannung erzeugt, die von außen an das Bauelement angelegt wird. Doch gerade hier liegt das Problem: Halbleiterdetektoren werden üblicherweise so gebaut, dass Strom nur dann fließt, wenn Licht auf den Detektor fällt.

Graphen ist aber kein Halbleiter, sondern ein Metall. Eine extern angelegte elektrische Spannung treibt einen großen Dunkelstrom durch das Bauelement, also jenen unerwünschten Strom, der immer durch den Detektor fliesst, auch dann wenn kein Licht auftrifft. Das wiederum würde den Photodetektor unempfindlich machen. Die Forscher bedienten sich deshalb eines Tricks: Sie nutzen lokale, interne elektrische Felder, wie sie an Grenzflächen zwischen Graphen und Metallen auftreten. Mit einer ausgeklügelten Kombination von Palladium- und Titan-Elektroden konnte so ein Photodetektor geschaffen werden, der ohne externe Spannung auskommt.

Technische Universität Wien

AL