Quanten-Chip für Infrarotaufnahmen

Ein Schiff ist gekentert – weit draußen am Meer. Schwimmen irgendwo noch hilfesuchende Überlebende herum? Mit einer Wärmebild­kamera, auf einer Drohne montiert, lässt sich das auch bei Nacht rasch fest­stellen. Doch für Kameras, die Infrarot­strahlung detektieren, gibt es auch noch viele andere Einsatz­szenarien. Man könnte sie zum Beispiel in der Umwelt­technik verwenden, um bestimmte Chemikalien nachzuweisen. An der TU Wien gelang es nun, einen neuartigen Infrarot-Detektor zu entwickeln, der mehrere Vorteile vereint: Er ist schnell, muss nicht gekühlt werden und lässt sich ganz spezifisch auf bestimmte Wellen­längen optimieren.

„Grundsätzlich gibt es heute zwei Typen von Detektoren für Infrarot­strahlung“, erklärt Elektro­techniker Gottfried Strasser, Leiter des Zentrums für Mikro- und Nano­strukturen an der TU Wien. „Thermische Detektoren, die auf Wärme reagieren, und photonische Detektoren, in denen die einfallende Strahlung quanten­physikalische Prozesse auslöst.“

Zur ersten Gruppe gehören die sogenannten Bolometer. Sie enthalten elektronische Bauteile, die von der Strahlung erwärmt werden und dadurch ihren elektrischen Widerstand ändern. Das geht nicht besonders schnell und nicht besonders präzise, aber es genügt, um beispielsweise ein Wärmebild eines Gebäudes zu erstellen und zu sehen, an welchen Stellen die Wärme­dämmung verbessert werden muss.

Photonische Detektoren hingegen funktionieren ganz anders: In ihnen wird Infrarotlicht absorbiert, Elektronen gelangen dadurch in einen höheren Energie­zustand, und diese Zustands­änderung der Elektronen lässt sich dann messen. „Ein großes Problem dabei ist allerdings der Dunkel­strom“, sagt Strasser. „Auch wenn gar keine Infrarot­strahlung auf den Detektor trifft – ein gewisses Hintergrund­signal, ein permanentes Grund­rauschen bekommt man immer.“

Das hat damit zu tun, dass man an diese Detektoren eine Spannung anlegen muss. Der Detektor wird warm, durch Wärme­prozesse im Detektor­material werden dieselben elektronischen Vorgänge ausgelöst wie durch das Infrarot­licht, das man eigentlich detektieren möchte. Ab einer gewissen Temperatur wird der Detektor unbrauchbar, daher kühlt man die Geräte meist mit flüssigem Stick­stoff. Wenn eine aufwändige Kühlung nötig ist, werden die Detektoren allerdings teuer, groß und schwer.

An der TU Wien ging man einen anderen Weg: Man baute einen Array aus Quanten­kaskaden-Detektoren. Sie bestehen aus mehreren Schichten mit jeweils unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften. Spannung muss keine angelegt werden, das Bild­rauschen ist gering, eine Kühlung ist nicht nötig.

Die Forscher stellten einen Detektor-Chip mit 8x8 Pixeln her, der auf Infrarot­strahlung mit einer Wellen­länge von 4,3 Mikrometern reagiert. „Es ging darum, das Prinzip zu demonstrieren, ein Hoch­skalieren auf eine höhere Pixel-Anzahl wäre technisch kein Problem“, sagt Gottfried Strasser. Auch die Wellen­länge, auf die der Detektor optimiert ist, lässt sich gezielt anpassen. Das bietet besonders interessante Möglichkeiten.

Infrarotstrahlung kann Moleküle nämlich zu bestimmten Vibrationen oder Rotationen anregen. Daher können unterschiedliche Moleküle unterschiedliche Infrarot-Wellen­längen absorbieren, jedes Molekül hat einen ganz spezifischen Infrarot-Finger­abdruck, anhand dessen man es zweifelsfrei identifizieren kann. Eine Infrarot-Kamera, die hoch­spezifisch Strahlung mit bestimmten Wellen­längen abbildet, könnte man daher nutzen, um auf einen Blick die Verteilung unterschiedlicher Moleküle zu ermitteln.

TU Wien / DE