Ultraschnelle Photodetektoren und Terahertz-Strahler mit Graphen
Forschern des Walter-Schottky-Instituts der TU München ist es gelungen, die zeitliche Dynamik des Photostroms in Graphen zu messen.
Abb.: Ein Graphen-Netz überspannt den schmalen Spalt zwischen zwei Elektroden. (Bild: TUM)
Mit Hilfe des hoch leitfähigen Graphen arbeiten Wissenschaftler daran, ultraschnelle Photodetektoren zu konstruieren. Allerdings war es bisher nicht möglich, das optische und elektronische Verhalten von Graphen zeitaufgelöst zu bestimmen. Das heißt zu klären, wie lange es von der elektrischen Anregung des Graphen bis zur Generierung des entsprechenden Photostroms dauert.
Dieser Frage widmeten sich Alexander Holleitner und Leonhard Prechtel am Walter-Schottky-Institut der TU München, zugleich Mitglieder des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM). Die Physiker entwickelten zunächst eine Methode, mit der sie den durch Bestrahlung mit kurzen Laserpulsen entstehenden Photostrom in Graphen-Photodetektoren bis in den Pikosekundenbereich hinein untersuchen können. Damit können sie nun Pulse von nur 10-12 Sekunden Länge detektieren.
Kern der untersuchten Photodetektoren ist frei tragendes Graphen, das über metallische Kontakte elektronisch in Schaltkreise eingebunden ist. Die zeitliche Dynamik des Photostroms bestimmen die Physiker mit Hilfe von koplanaren Streifenleitungen, die sie über ein spezielles zeitaufgelöstes Laser-Spektroskopie-Verfahren auswerten, die Pump-Probe-Technik. Hierbei werden mit einem Laserpuls Elektronen im Graphen angeregt und die Dynamik dieses Prozesses mit einem zweiten Laser verfolgt. Auf diese Weise können die Physiker genau nachvollziehen, wie der Photostrom im Graphen entsteht.
Die neue Methode ermöglichte den Wissenschaftlern, darunter Kollegen der Uni Regensburg, der ETH Zürich, der Rice University und der Shinshu University, zeitgleich noch eine weitere Beobachtung: Sie konnten belegen, dass Graphen nach optischer Anregung Strahlung im Terahertz-Bereich aussendet. Die Frequenz dieser Strahlung liegt zwischen dem Frequenzbereich von Infrarotlicht und Mikrowellenstrahlung und besitzt Eigenschaften beider angrenzender Bereiche: Sie lässt sich bündeln wie Licht und durchdringt Materie ähnlich wie elektromagnetische Wellen. Dadurch eignet sie sich beispielsweise zur Materialprüfung, zum Durchleuchten von Paketen oder für medizinische Anwendungen.
TUM / OD
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