06 Dez Vom Labor zum Produkt: IR-Quantenpunktdetektor
Detektoren für Infrarotstrahlung bestehen meistens aus einem kristallinen Halbleitermaterial und Elektronik zum Auslesen der Daten. Die Halbleitermaterialien sind oft aufwendig in der Herstellung, die bei sehr hohen Temperaturen stattfinden muss und viel Energie verbraucht. Forschende der Schweizer Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) waren überzeugt, dass es auch anders geht und entwickelten neue Detektoren für Infrarotstrahlung, die nachhaltiger, flexibler und kostengünstiger sein sollen als bisherige Technologien. Ein Team um Ivan Shorubalko aus dem Labor Transport at Nanoscale Interfaces arbeitet dafür an miniaturisierten Infrarotdetektoren aus kolloidalen Quantenpunkten.
Shorubalko erklärt: „Die Eigenschaften eines Materials hängen nicht nur von seiner Zusammensetzung ab, sondern auch von seiner Dimensionierung.“ Das heißt: Wenn man aus einem Material kleinste Nanopartikel herstellt, haben sie häufig andere Eigenschaften, als größere Stücke desselben Materials. Der Grund dafür sind Quanteneffekte, daher auch der Name Quantenpunkte. Die Einfachheit von Quantenpunkten liegt in ihrer Verarbeitung: Kolloidale, also sich in einer Lösung befindende Quantenpunkte können mittels Rotationsbeschichtung oder Druck auf unterschiedliche Materialien aufgebracht werden – und das geschieht günstiger, energieeffizienter und flexibler als bei konventionellen Halbleitern.
Vom Material über den Prozess bis hin zur Anwendung
Shorubalko und sein Team stellen aus den Quantenpunkten funktionierende elektronische Komponenten her. Gemeinsam mit weiteren Expertinnen und Experten der Empa erforschen sie zudem Verarbeitungsprozesse und weitere Anwendungen für Quantenpunkte. Beispielsweise gelang es den Empa-Forschenden, einen Infrarotdetektor aus Quantenpunkten auf eine optische Polymerfaser aufzudrucken – etwas, das mit herkömmlichen Infrarotdetektoren nicht möglich ist.
Gedruckt: Ein Quantenpunkt-Infrarot-Sensor unter dem Mikroskop. Bild: Empa
Eine potenzielle Anwendung dieser Technologie wären laut den Entwicklern smarte Textilien. Von den flexiblen Infrarotdetektoren könnten insbesondere Spezialtextilien profitieren, beispielsweise Funktionsbekleidung für Feuerwehrleute oder medizinische Textilien für die Patientenüberwachung. Allerdings sieht Shorubalko auch viel Potenzial in der Mode: „Wenn Detektoren und andere elektronische Komponenten klein, günstig und einfach herzustellen sind, können wir auch unsere Alltagskleider damit funktionalisieren.“
Hohe Geschwindigkeit für Lidar
Als nächstes will Shorubalko die Geschwindigkeit des Detektors verbessern. Schnelle Infrarotdetektoren braucht es zum Beispiel für Lidar. „Siliziumbasierte Infrarotdetektoren in Lidarsensoren messen Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von rund 905 Nanometern“, erklärt Shorubalko. Das Problem: Diese Wellenlänge ist für das menschliche Auge zwar unsichtbar, aber bei hoher Leistung dennoch schädlich. Deshalb darf der Laser im Lidar nur schwach strahlen, was wiederum die Reichweite des gesamten Systems einschränkt. Detektoren für ungefährliche Wellenlängen existieren zwar, sind aber zu teuer, um großflächig zum Einsatz zu kommen. Ein schneller Detektor auf Quantenpunktbasis könnte eine Alternative bieten und leistungsfähige, unschädliche und kostengünstige Lidarsysteme ermöglichen.
Vom Labor direkt ins Produkt
Anders als bei vielen anderen neuen Technologien und Materialien sind die Infrarotdetektoren aus Quantenpunkten bereits auf dem Markt erhältlich, betont Shorubalko. „Ich habe noch nie eine Technologie erlebt, die den Sprung vom Labor in die Praxis so schnell geschafft hat.“ Dennoch sehen die Forschenden die Arbeit noch lange nicht getan. Nun gilt es die vielversprechende Technologie noch schneller, kostengünstiger, flexibler und nachhaltiger zu machen.
Quelle und Bild: www.empa.ch
