Forscher entwickeln Komponente, die SWIR-Licht erfasst und aussendet
Von der Unterstützung selbstfahrender Fahrzeuge bei der Navigation durch dichten Nebel bis hin zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung in Lebensmitteln oder biologischen Proben: Die Kurzwellen-Infrarot-Technologie (SWIR) ermöglicht Anwendungen, die mit gewöhnlichem sichtbarem Licht nicht realisierbar sind, berichtet die Universität Gent.
So kann SWIR-Licht bspw. durch Staub und Nebel hindurchsehen und ermögliche es, bestimmte Materialien und Substanzen anhand ihres einzigartigen „chemischen Fingerabdrucks“ zu erkennen.
Derzeit seien Systeme, die SWIR-Licht nutzen, noch relativ teuer. Quantenpunkte bieten eine vielversprechende Lösung: Dabei handele es sich um winzige Kristalle, die in eine Flüssigkeit eingebracht und direkt auf Mikrochips aufgetragen oder gedruckt werden können.
„Quantenpunkte können die SWIR-Technologie deutlich erschwinglicher machen“, sagt Dr. Yu-Hao Deng, BOF-Postdoktorand an der Universität Gent und Erstautor der Studie. „Bislang waren jedoch noch separate Komponenten erforderlich, um SWIR-Licht zu emittieren und zu detektieren. Die Zusammenführung dieser verschiedenen Komponenten ist technisch komplex und verteuert die Produktion.“
Forschern der Universität Gent sei es nun gelungen, eine einzige Komponente zu entwickeln, die sowohl SWIR-Licht detektieren als auch emittieren kann. Lange Zeit war dies schwer zu erreichen, da die beiden Funktionen unterschiedliche Anforderungen an das Material stellen. Eine gute Lichterkennung erfordert in der Regel eine dickere aktive Schicht, während ein schneller Betrieb und eine effiziente Lichtemission tatsächlich von einer sehr dünnen Schicht profitieren.
Dem Forschungsteam gelang es, diesen Widerspruch mithilfe einer ultradünnen Struktur aus hochwertigen Quantenpunkten in Kombination mit einem sogenannten optischen Mikroresonator zu überbrücken. Dies verstärke die Wechselwirkung zwischen dem Material und dem Licht. Dadurch kann dieselbe kompakte Komponente sowohl als Fotodetektor (der SWIR-Licht erfasst) als auch als LED (die selbst SWIR-Licht emittiert) fungieren.
Blitzschnelle Reaktion
Die neue Komponente arbeite zudem außergewöhnlich schnell: Sie reagiere innerhalb von zwei Nanosekunden beim Erfassen von Licht und innerhalb von zwölf Nanosekunden beim Emittieren von Licht. Eine Nanosekunde entspricht einem Milliardstel einer Sekunde.
Durch die Kombination beider Funktionen in einer einzigen Komponente lässt sich die Technologie einfacher und kostengünstiger in elektronische Systeme integrieren. Die Forscher der Universität Gent sehen daher potenzielle Anwendungsmöglichkeiten u.a. in optischen Chips, LiDAR-Systemen, der Bildgebung und zukünftigen intelligenten Kommunikationsgeräten.
