Röntgen im Nanobereich

Einem internationalen Forscher­team ist es jetzt gelungen, einen der kleinsten Röntgen­detektoren weltweit mit einer Auflösung von zwei­hundert Nano­metern zu entwickeln. Üblicher­weise bewegt sich die Auflösung solcher Detek­toren minimal im Mikro­meter­bereich. Der neue Detektor besteht aus einem Halb­leiter-Nano­draht aus Gallium­­ar­senid, der an beiden Enden jeweils un­ter­schied­lich dotiert ist: In einen Teil des Halb­leiters sind Zink-Atome, in den anderen Teil Zinn-Atome ein­ge­bracht. Die Forscher regten den Halb­leiter mit einem im Durch­messer etwa achtzig Nano­meter großen Röntgen­strahl an und erzeugten so Ladungs­träger­paare am p-n-Übergang.

„In dem elektrischen Feld des p-n-Übergangs werden die Elektronen-Loch-Paare – also die La­dungs­­träger, die die Röntgen­strahlung hervor­ruft – ausein­ander­getrieben“, erklärt Maxi­milian Zapf von der Uni Jena, einer der beteiligten Forscher. „Dank detail­lierter Röntgen­analyse­techniken konnten wir beobachten, was in dem Feld mit den Elektronen passiert.“

Für die hohe Auflösung des Detektors sorgt die geringe Größe des Drahtes. „Theoretisch sind – je nach Durch­messer des Drahts – auch noch höhere Auflösungen möglich“, sagt Projekt­leiter Carsten Ronning von der Uni Jena. „Irgend­wann allerdings degradiert der Draht.“ Auch diese Grenzen des Systems sind ein wichtiger Bestand­teil des Forschungs­ergeb­nisses. „Durch das elektrische Feld des p-n-Über­gangs und die damit ver­bundene Beschleunigung der Ladungs­träger entstehen hoch­energetische Elektronen. Bei zu hoher Beschleunigung inter­agieren diese `hot electrons´ mit dem Aus­gangs­material des Drahts, erzeugen weitere Elektronen und lösen so unter Umständen einen Lawinen­effekt aus. Es entsteht Wärme – und der Draht degradiert.“

Der neue Detektor zielt nicht darauf ab, in der Medizin zum Einsatz zu kom­men. Dafür wäre er aufgrund seiner geringen Größe viel zu ineffizient. Vielmehr kann die Methode wertvolle Informa­tionen bei der Unter­suchung von Materialien liefern. „Viele Bauteile – etwa in chip­basierten biochemischen Sensoren oder physika­lischen Licht­­quellen – werden immer kleiner“, sagt Zapf. „Unser Detektor könnte bei­spiels­weise verwendet werden, um solche nano­skaligen Elemente zu prüfen und ihr Material zu charak­te­ri­sieren.“

FSU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Zapf et al.: Hot electrons in a nanowire hard X-ray detector, Nat. Commun. 11, 4729 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-18384-x
• Physik nanoskaliger Festkörper (C. Ronning), Institut für Festkörperphysik, Friedrich-Schiller-Universität Jena