Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Vorstoß in unsichtbare Bereiche

11.04.2005


Die Terahertz-Strahlung liegt auf dem elektromagnetischen Spektrum zwischen den langwelligen Radio- und Mikrowellen und dem unsichtbaren Infrarotbereich, der sich direkt an die dem menschlichen Auge noch sichtbare Farbe Rot anschließt. Als Gegenstand der Forschung ist der Terahertz-Bereich sehr vielversprechend, doch fehlten bislang die entsprechenden Geräte zur einfachen Erzeugung der Strahlung. Im Forschungszentrum Rossendorf wurde deshalb kürzlich eine Terahertz-Strahlungsquelle entwickelt und zum Patent angemeldet, die mit Hilfe eines intelligenten Tricks alle Schwachstellen der bisher vorgestellten Lösungsansätze umgeht. Die Firma Gigaoptics GmbH in Konstanz übernimmt den Vertrieb der Strahlungsquelle.



Ein Terahertz entspricht einer Billion Schwingungen in der Sekunde. Es handelt sich um für den Menschen ungefährliche Wärmestrahlung in einem Frequenzbereich von 300 Gigahertz (GHz) bis 30 Terahertz (THz). Die Anwendungsmöglichkeiten der Strahlung in der medizinischen oder biologischen Analytik und in der Materialforschung stehen zwar erst am Anfang, werden aber dennoch als äußerst vielversprechend eingeschätzt. So könnten THz-Strahlen die Röntgenbehandlung beim Arzt zum Teil ersetzen, etwa bei der Kariesdiagnostik. Die Strahlen durchdringen Kleidung oder Gewebe quasi ohne Mühe und könnten so in Zukunft Blicke auf das Frühstadium von Karies oder Hautkrebs bzw. in das Innere von Zellen erlauben. Im Forschungszentrum Rossendorf wird die THz-Strahlung vor allem für die Untersuchung von Halbleiter-Materialien genutzt. Hierbei interessiert man sich besonders für die Dynamik der Elektronen, um damit die Grundlagen für komplexe Halbleiterstrukturen besser verstehen zu können und auf dieser Grundlage neue Bauelemente zu entwickeln.



Der Nachteil der Strahlung - sie lässt sich heute noch nicht einfach und günstig erzeugen. Hinzu kommt, dass die erzeugte Strahlung i. d. R. nicht intensiv genug ist für den Einsatz in der modernen Forschung. Man spricht daher regelrecht von einer Lücke, der Terahertz-Lücke. Weltweit arbeiten Forschergruppen daran, diese Lücke zu überwinden. Die Strahlungsquelle soll intensives "Licht" in einem breiten Frequenzbereich aussenden und gleichzeitig kostengünstig sein. Zwei verschiedene Ansätze werden derzeit verfolgt. Beim ersten Ansatz überlagern sich zwei Laser mit unterschiedlichen Frequenzen und sollen so in einem mit Elektroden präparierten Halbleiter kontinuierliche THz-Strahlung erzeugen. Der zweite Ansatz setzt auf superkurze Laserpulse, die ebenfalls auf einen Halbleiter gerichtet werden. Durch die Lichtpulse werden Elektronen im Halbleiter erzeugt, die im elektrischen Feld zwischen zwei auf dem Halbleiter angebrachten Elektroden beschleunigt werden und so THz-Strahlung aussenden.

Die Erfindung im Forschungszentrum Rossendorf geht auf diesen zweiten Ansatz zurück und verbessert die bisher vorhandenen Lösungsmöglichkeiten erheblich. Setzt man die Elektroden auf dem besonderen Halbleitermaterial Galliumarsenid nämlich weit voneinander entfernt (im Zentimeterbereich), um eine große aktive Fläche zur THz-Erzeugung zu erhalten, benötigt man eine Spannung im Kilovolt-Bereich. Damit wäre solch eine Strahlungsquelle für die Anwendung im Labor viel zu unpraktikabel. Setzt man die Elektroden dagegen nah (im Mikrometerbereich), hat man zwar einerseits die erforderliche elektrische Spannung im Griff, reduziert die aktive Fläche jedoch gleichzeitig so, dass die Intensität des erzeugten "Lichts" für die Anwendung nicht ausreichend ist.

Die Rossendorfer Physiker um Prof. Thomas Dekorsy (jetzt Universität Konstanz) und Dr. Stephan Winnerl hatten eine simple, aber äußerst wirkungsvolle Idee. Sie stellten eine Elektrodenstruktur auf der Galliumarsenid-Scheibe (Wafer) her, die fingerartig ineinander greift. Die Abstände der "Finger" betragen jeweils etwa 5 Mikrometer und die Struktur insgesamt hat derzeit eine aktive Fläche von etwa 1 cm2. Ohne einen zweiten technologischen Trick kommt es allerdings nicht zur Aussendung von THz-Strahlung, denn es geschieht zunächst Folgendes: das elektrische Feld wechselt von Zwischenraum zu Zwischenraum die Richtung, so dass die durch die Laserpulse im Halbleitermaterial erzeugten Elektronen in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt werden und die ausgesandte Strahlung sich im Ergebnis durch die entstehenden Interferenzen wieder auslöscht. Hier greift nun der folgende Trick: jeder zweite "Finger" auf der Halbleiter-Scheibe wird nachträglich mit einer zweiten Maske zugedeckt. So wird jeder zweite Spalt inaktiv und die Interferenz der ausgesandten Strahlung ist im Ergebnis konstruktiv.

Dr. Stephan Winnerl erläutert: "Die von uns erzeugte Terahertz-Strahlung ist kohärent - eine Eigenschaft, die beispielsweise jedes Laserlicht auszeichnet - und deckt einen Frequenzbereich von 0,5 bis zu 3 Terahertz ab. Damit haben wir ein sehr sensitives Messgerät an der Hand, mit dem wir beispielsweise Schichtstrukturen von Halbleitern in ganz neuem Licht betrachten können. Halbleiter können, jeweils abhängig von bestimmten Strukturen und Schichten, komplexe elektronische Eigenschaften annehmen. Die Terahertz-Strahlung ist zur Untersuchung dieser Eigenschaften ideal geeignet."

Weitere Vorteile der Rossendorfer Erfindung liegen in der Skalierbarkeit der aktiven Fläche und in der Möglichkeit für den Anwender, den Strahldurchmesser für seine jeweiligen Forschungen flexibel einstellen zu können. Dies ist ein wichtiges Kriterium u. a. für die Nutzung der THz-Strahlung als bildgebendes Verfahren für bio-medizinische Fragestellungen. Die Erfindung ist zum Patent angemeldet und in der renommierten Fachzeitschrift Applied Physics Letters vor kurzem veröffentlicht worden (*). Die Konstanzer Firma Gigaoptics GmbH wird die THz-Strahlungsquelle vertreiben und erstmals auf der weltweit größten Fachmesse zur Optoelektronik im Mai in Baltimore, USA, einem internationalen Publikum vorstellen.

Ansprechpartner:
Dr. Stephan Winnerl
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Tel.: 0351 260 - 3522; Email: s.winnerl@fz-rossendorf.de
(*) Artikel in: Applied Physics Letters 86, 121114 (2005).

Information:
Das Forschungszentrum Rossendorf (FZR) betreibt Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung mit Photonen- und Teilchenstrahlen, wobei
· die Erforschung der Materie auf der Skala von Nanometern,
· der Schutz von Mensch und Umwelt vor technischen Risiken und
· der Einsatz bei Tumor- und Stoffwechselerkrankungen
den Schwerpunkt bilden. Dazu werden 6 Großgeräte eingesetzt, die europaweit unikale Untersuchungsmöglichkeiten auch für auswärtige Nutzer bieten.

Das FZR ist mit ca. 550 Mitarbeitern das größte Institut der Leibniz-Gemeinschaft (www.wgl.de) und verfügt über ein jährliches Budget von rund 56 Mill. Euro. Hinzu kommen etwa 6 Mill. Euro aus nationalen und europäischen Förderprojekten sowie aus Verträgen mit der Industrie. Zur Leibniz-Gemeinschaft gehören 84 außeruniversitäre Forschungsinstitute und Serviceeinrichtungen für die Forschung. Leibniz-Institute arbeiten interdisziplinär und verbinden Grundlagenforschung mit Anwendungsnähe. Jedes Leibniz-Institut hat eine Aufgabe von gesamtstaatlicher Bedeutung, weshalb sie von Bund und Länder gemeinsam gefördert werden. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 12.500 Mitarbeiter und haben einen Gesamtetat von 950 Millionen Euro (Stand 1.1.2005).

Pressekontakt:
Dr. Christine Bohnet
Tel.: 0351 260 - 2450 oder 0160 969 288 56; Fax: 0351 260 - 2700
c.bohnet@fz-rossendorf.de
Postanschrift: Postfach 51 01 19 . 01314 Dresden
Besucheranschrift: Bautzner Landstraße 128 . 01328 Dresden

Dr. Christine Bohnet | idw
Weitere Informationen:
http://www.fz-rossendorf.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Speicherdauer von Qubits für Quantencomputer weiter verbessert
09.12.2016 | Forschungszentrum Jülich

nachricht Elektronenautobahn im Kristall
09.12.2016 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie