Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher aus den USA und Dresden entwickeln Breitband-Detektor aus Graphen

27.10.2015

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben zusammen mit Kollegen aus den USA und Deutschland einen neuen optischen Detektor aus Graphen entwickelt, der extrem schnell auf einfallendes Licht unterschiedlichster Wellenlängen reagiert und schon bei Zimmertemperatur funktioniert. Erstmals kann somit ein einzelner Detektor den Spektralbereich von sichtbarem Licht über die Infrarot-Strahlung bis hin zur Terahertz-Strahlung überwachen. Die HZDR-Wissenschaftler nutzen den neuen Graphen-Detektor bereits zur exakten Synchronisation von Laser-Systemen.

Eine kleine Flocke Graphen auf Siliziumcarbid und eine futuristisch anmutende Antenne – fertig ist der neue Graphen-Detektor. Diese vergleichsweise simple und auch preiswerte Konstruktion kann erstmals als einzelner Detektor den enorm großen Spektralbereich vom sichtbaren Licht bis zur Terahertz-Strahlung abdecken.


Die äußere Antenne des Detektors fängt langwellige Infrarot- und Terahertz-Strahlung ein und leitet sie zu einer Graphen-Flocke, die sich in der Mitte der Struktur befindet.

M. Mittendorff

„Im Gegensatz zu anderen Halbleitern, wie Silizium oder Galliumarsenid, kann Graphen Licht von sehr unterschiedlicher Photonenenergie aufnehmen und in elektrische Signale umwandeln. Wir mussten hier nur noch mit einer breitbandigen Antenne und dem passenden Substrat die idealen Rahmenbedingungen schaffen“, erklärt Dr. Stephan Winnerl, Physiker am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR.

Bereits 2013 hatte der damalige HZDR-Doktorand Martin Mittendorff den Vorgänger des Graphen-Detektors entwickelt. Als Postdoc an der University of Maryland hat er ihn nun zusammen mit seinen Dresdner Kollegen sowie Forschern aus Marburg, Regensburg und Darmstadt perfektioniert. Das Funktionsprinzip:

Die antennengekoppelte Graphen-Flocke absorbiert die Strahlung, wodurch die Energie der Photonen auf die Elektronen im Graphen übertragen wird. Solche „heißen Elektronen“ erhöhen den elektrischen Widerstand des Detektors und führen so zu schnellen elektrischen Signalen. In nur 40 Pikosekunden – das sind Billionstel einer Sekunde – kann der Detektor einfallendes Licht registrieren.

Großer Spektralbereich durch Siliziumcarbid-Substrat

Besonders die Auswahl des Substrats war jetzt ein entscheidender Schritt zur Verbesserung des kleinen Lichtfängers, wie Stephan Winnerl erläutert: „Zuvor verwendete Halbleiter-Substrate haben stets einige Wellenlängen absorbiert, Siliziumcarbid verhält sich hingegen im gesamten Spektralbereich passiv.“ Hinzu kommt eine Antenne, die wie ein Trichter wirkt und langwellige Infrarot- und Terahertz-Strahlung einfängt.

Die Wissenschaftler konnten so den abgedeckten Spektralbereich im Vergleich zum Vorgänger fast um den Faktor 90 steigern. Die kürzeste messbare Wellenlänge ist damit 1000 Mal kleiner als die längste. Zum Vergleich: Rot, das langwelligste Licht, das das menschliche Auge wahrnehmen kann, hat lediglich die doppelte Wellenlänge von Violett, dem kurzwelligsten sichtbaren Licht.

Am HZDR wird dieser optische Universaldetektor bereits genutzt, um die beiden Freie-Elektronen-Laser am ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen exakt mit anderen Lasern zu synchronisieren. Besonders wichtig ist diese Justierung für sogenannte Pump-Probe-Experimente: Dabei regen Forscher ein Material mit einem Laser an („pump“) und nutzen anschließend einen zweiten Laser mit anderer Wellenlänge zur Messung („probe“).

Für solche Untersuchungen müssen die Pulse der Laser exakt aufeinander abgestimmt werden. Dafür setzen die Wissenschaftler den Graphen-Detektor wie eine Stoppuhr ein: Er teilt ihnen mit, wann die Laserpulse ins Ziel kommen und durch seine große Bandbreite wird ein Wechsel des Detektors als potentielle Fehlerquelle vermieden. Ein weiterer Vorteil ist, dass alle Messungen bei Zimmertemperatur ablaufen können und auf die aufwendige und kostspielige Stickstoff- oder Heliumkühlung anderer Detektoren verzichtet werden kann.

Publikation:
M. Mittendorff, J. Kamann, J. Eroms, D. Weiss, C. Drexler, S. D. Ganichev, J. Kerbusch, A. Erbe, R. J. Suess, T. E. Murphy, S. Chatterjee, K. Kolata, J. Ohser, J. C. König-Otto, H. Schneider, M. Helm, S. Winnerl: “Universal ultrafast detector for short optical pulses based on graphene”, in Optics Express 23 (2015) 28728-28735 (DOI: 10.1364/OE.23.028728)

Weitere Informationen:
Dr. Stephan Winnerl
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel. +49 351 260-3522
E-Mail: s.winnerl@hzdr.de

Medienkontakt:
Dr. Christine Bohnet | Pressesprecherin
Tel. +49 351 260-2450 | E-Mail: c.bohnet@hzdr.de

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte (Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble) und beschäftigt rund 1.100 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Weitere Informationen:

http://www.hzdr.de/presse/graphen-detektor

Simon Schmitt | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Tauchgang in einen Magneten
20.07.2017 | Paul Scherrer Institut (PSI)

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: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Im Focus: Das Proton präzise gewogen

Wie schwer ist ein Proton? Auf dem Weg zur möglichst exakten Kenntnis dieser fundamentalen Konstanten ist jetzt Wissenschaftlern aus Deutschland und Japan ein wichtiger Schritt gelungen. Mit Präzisionsmessungen an einem einzelnen Proton konnten sie nicht nur die Genauigkeit um einen Faktor drei verbessern, sondern auch den bisherigen Wert korrigieren.

Die Masse eines einzelnen Protons noch genauer zu bestimmen – das machen die Physiker um Klaus Blaum und Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

Technologietag der Fraunhofer-Allianz Big Data: Know-how für die Industrie 4.0

18.07.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - September 2017

17.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen

20.07.2017 | Physik Astronomie

Bildgebung von entstehendem Narbengewebe

20.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

RWI/ISL-Containerumschlag-Index bleibt aufwärts gerichtet

20.07.2017 | Wirtschaft Finanzen