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pte20200213015 Forschung/Entwicklung, Produkte/Innovationen

Lichtdetektor aus 2D-Materialien verwirklicht

Wissenschaftler wollen damit künftig Leuchtdioden und auch Lichtmodulatoren herstellen


Zürich/Tsukuba (pte015/13.02.2020/10:30) - Forscher der ETHZ http://ethz.ch haben zusammen mit Kollegen des japanischen National Institute for Material Science http://www.nims.go.jp einen neuen Lichtdetektor entwickelt, der aus zweidimensional geschichteten Materialien besteht, die an einen Silizium-Lichtwellenleiter gekoppelt sind. Damit wollen die Wissenschaftller künftig Leuchtdioden und Lichtmodulatoren herstellen. Details wurden in "Nature Nanotechnology" veröffentlicht.

Vertikale Heterostruktur aus TMDC

"In unserem Detektor wollten wir die Vorteile verschiedener Materialien ausnutzen und deren jeweilige Beschränkungen überwinden. Das geht am besten, indem man eine Art künstliches Kristall - auch Heterostruktur genannt - aus jeweils nur wenigen Atomen dünnen Schichten herstellt", so ETHZ-Doktorand Nikolaus Flöry.

In 2D-Materialien, wie etwa Graphen, bewegen sich Elektronen nur in einer Ebene anstatt in drei Raumdimensionen. Dadurch ändern sich ihre Transporteigenschaften, etwa wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, grundlegend. Während sich allerdings Graphen nur bedingt für optische Anwendungen eignet, sind Verbindungen aus Übergangsmetallen wie Molybdän oder Wolfram und Chalkogenen wie Schwefel oder Tellur (abgekürzt als TMDC bezeichnet) sehr lichtempfindlich und lassen sich zudem leicht mit Silizium-Lichtleitern kombinieren.

Das Team hat eine vertikale Heterostruktur aus einem TMDC - im aktuellen Fall Molybdän-Ditellurid - und Graphen hergestellt. Anders als in herkömmlichen Detektoren müssen sich dadurch Elektronen, die von eintreffenden Lichtteilchen angeregt werden, nicht erst eine dicke Lage des Materials durchqueren, bis sie gemessen werden können. Stattdessen sorgt die zweidimensionale TMDC-Schicht dafür, dass die Elektronen nach oben oder unten in kürzester Zeit das Material verlassen, wie der Wissenschaftler erläutert

50 Gigahertz Bandbreite erreicht

"Wir hatten gehofft, mit unserer neuen Technologie ein paar Gigahertz an Bandbreite zu schaffen - tatsächlich haben wir 50 Gigahertz erreicht", unterstreicht Flöry. Bislang war mit TMDC-Detektoren weniger als ein Gigahertz Bandbreite möglich. Die optimale Kopplung des Lichts wiederum wurde durch eine direkte Integration des Detektors in einen nanophotonischen Lichtleiter erreicht. Eine sogenannte evaneszente Welle, die seitlich aus dem Lichtleiter austritt, speist die Photonen durch eine Schicht aus Graphen (die für einen niedrigen elektrischen Widerstand sorgt) in die Molybdän-Ditellurid-Schicht der Heterostruktur.

Dort regen sie dann Elektronen an, die schließlich als Strom nachgewiesen werden. Das integrierte Design des Wellenleiters sorgt dafür, dass bei diesem Vorgang genug Licht absorbiert wird. Mit dieser Kombination aus Wellenleitern und Heterostrukturen sollen sich künftig nicht nur Lichtdetektoren herstellen lassen, sondern auch andere optische Bauteile, wie etwa Lichtmodulatoren, Leuchtdioden und Laser, sagen die Forscher.

(Ende)
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