Für ein „Laboratory to go“

Miniaturisierte Infrarot-Detektoren

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des Empa-Forschers Ivan Shorubalko hat ein Miniaturisierungsverfahren für IR-Spektrometer auf Basis eines Quantenpunkt-Photodetektors entwickelt, das auf einem Chip integriert werden kann.

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 Photoleiter (seine Größe liegt im Subwellenlängenbereich). © Empa

Die Miniaturisierung von Infrarotspektrometern macht einen breiteren Einsatz möglich: ob 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 erforderlich ist. Darüber hinaus könnten sie für den Nachweis gefälschter Medikamente und von Treibhausgasen wie Methan und Kohlendioxid nützlich sein.

Funktionsweise: 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(HgTe)-Quantenpunkten) 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. © Lars Lüder

Ein Team von Wissenschaftlern der Empa, der ETH Zürich, der EPFL, der „Universidad de Salamanca“, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der Universität Basel hat den Prototypen eines miniaturisierten Fourier-Transformations-Wellenleiterspektrometers gebaut, das einen Subwellenlängen-Photodetektor als Lichtsensor enthält; dieser besteht aus kolloidalen Quantenpunkten aus Quecksilbertellurid (HgTe) und ist kompatibel mit komplementärer Metalloxid-Halbleitertechnologie (CMOS), wie sie im Fachmedium „Nature Photonics“ berichten.

Einsatzmöglichkeiten für verschiedene Bereiche

Das entwickelte Spektrometer weist eine große spektrale Bandbreite und eine moderate spektrale Auflösung von 50 cm-1 bei einem aktiven Gesamtvolumen des Spektrometers von unter 100 μm x 100 μm x 100 μm auf. Mit diesem kompakten Design des Spektrometers ist es möglich, optisch-analytische Messinstrumente nach Empa-Angaben 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“, so Empa-Forscher Ivan Shorubalko. „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.“

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Publikation: Grotevent, M.J., Yakunin, S., Bachmann, D. et al.: Integrated photodetectors for compact Fourier-transform waveguide spectrometers. Nat. Photon. (2022); https://doi.org/10.1038/s41566-022-01088-7

Quelle: Empa

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