Empa
28.10.2022, 10:24 Uhr
Mini-Infrarot-Detektor passt auf einen Chip
Die Miniaturisierung von Infrarot-Detektoren ist entscheidend für ihre Integration in die nächste Generation von Unterhaltungselektronik, «Wearables» und Kleinstsatelliten. Doch heutige Bauteile sind sperrig und teuer. Empa-Forscher haben nun eine Lösung.
Der Versuchsaufbau: Ein roter Laser wurde verwendet, um den Strahlengang von der Faser in den Lichtwellenleiter und die Reflexion an einem Goldspiegel sichtbar zu machen. Die zwei Mikrosonden kontaktieren den Fotoleiter, der eine Grösse im Subwellenlängenbereich aufweist.
(Quelle: empa.ch)
Ein Forschungsteam unter der Leitung des Empa-Forschers Ivan Shorubalko haben ein kostengünstiges Miniaturisierungsverfahren für IR-Spektrometer auf Basis eines Quantenpunkt-Photodetektors entwickelt. Der Clou: Die Lösung lässt sich auf einem einzigen Chip integrieren. Details wurden in «Nature Photonics» publiziert.
Ultrakompaktes Design
Das neue Spektrometer weist eine grosse spektrale Bandbreite und eine moderate spektrale Auflösung von 50 cm-1 bei einem aktiven Gesamtvolumen des Spektrometers von unter 100 mal 100 mal 100 Mikrometer auf. Dieses ultrakompakte Design des Spektrometers ermöglicht es, optisch-analytische Messinstrumente relativ schnell und einfach in Unterhaltungselektronik und Raumfahrtgeräte zu integrieren.
«Die monolithische Integration von IR-Photodetektoren im Subwellenlängenbereich hat enorme Auswirkungen auf die Skalierung von Fourier-Transformations-Wellenleiterspektrometern. Unser Design könnte aber auch für miniaturisierte Raman-Spektrometer, für Biosensoren und ‹Lab-on-a-Chip›-Geräte sowie für die Entwicklung hochauflösender Hyperspektralkameras von Interesse sein», so Shorubalko.
Weg für breiteren Einsatz
Die Miniaturisierung von Infrarotspektrometern ermöglicht einen breiteren Einsatz in der Konsumgüterelektronik, etwa in Smartphones zur Lebensmittelkontrolle, zum Nachweis gefährlicher Chemikalien, zur Überwachung der Luftverschmutzung oder in tragbaren elektronischen Geräten. Sie können für den schnellen und einfachen Nachweis bestimmter Chemikalien verwendet werden, ohne dass eine Laborausrüstung nötig ist.
Darüber hinaus können sie für den Nachweis gefälschter Medikamente und von Treibhausgasen wie Methan und CO₂ nützlich sein.
So funktioniert das IR-Spektrometer: Der Photodetektor, der auf einem optischen Oberflächenwellenleiter aufgebaut ist, besteht aus einer unteren Goldelektrode, die als Streuzentrum fungiert, einer photoaktiven Schicht (bestehend aus kolloidalen Quecksilbertellurid-Quantenpunkten, HgTe) und einer oberen Goldelektrode. Durch Bewegen des Spiegels bildet der gemessene Fotostrom die Lichtintensität der stehenden Welle ab, also des IR-Strahls. Eine Fourier-Transformation des gemessenen Stromsignals ergibt dann das optische Spektrum des Strahls.
Quelle: Lars Lüder/Empa
Autor(in)
Florian
Fügemann, pte
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