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Research & Development
Schnelle Graphen-Photodetektoren
07.06.2010
Obwohl Graphen nur eine Atomlage dick ist, ist eine solche zweidimensionale Kohlenstoffschicht mit bloßem Auge sichtbar, denn das Material absorbiert Licht mindestens 10-mal stärker als die meisten anderen Stoffe. Damit lassen sich besonder kleine und schnelle Photodetektoren herstellen.
Photodetektoren werden üblicherweise aus Halbleitern wie Si oder GaAs hergestellt. Auftreffende Photonen erzeugen Elektronen-Loch-Paare, die in einem elektrischen Feld getrennt werden, was zu einem Stromfluss führt. Das Feld muss über eine von außen angelegte elektrische Spannung erzeugt werden. Graphen ist aber kein Halbleiter, sondern ein Metall, in dem angelegte Spannungen große (unerwünschte) Dunkelströme treiben. Im Falle eines Detektors würden diese auch dann fließen, wenn kein Licht auftrifft, und somit den Photodetektor unempfindlich machen. Forschern des IBM Thomas J. Watson Forschungszentrums, Yorktown Heights, New York, USA, ist es in Kooperation mit Thomas Müller vom Institut für Photonik der TU Wien erstmals gelungen, auf Graphen basierende Photodetektoren herzustellen. Sie bedienen sich dabei eines Tricks: Der Detektor nutzt lokale, interne elektrische Felder, wie sie an den Grenzflächen zwischen Graphen und Metallen auftreten. Mit einer ausgeklügelten Kombination von Palladium- und Titan-Elektroden konnte so ein Photodetektor geschaffen werden, der ohne externe Spannung auskommt.Die Forschungsergebnisse ebnen auch den Weg für eine schnellere Datenübertragung im Internet. Die erste Generation der neuartigen Photodetektoren arbeitet bereits bei einer Datenrate von 10 Gb/s, also so schnell wie heutige Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen. Weitere Untersuchungen zeigen, dass mit der neuen Technologie in Zukunft Datenraten von bis zu einem Terabit pro Sekunde zu erwarten sind. [Th. Mueller, F. Xia, Ph. Avouris, Graphene photodetectors for high-speed optical communications, Nature Photonics, 28.03.2010, doi:10.1038/nphoton.2010.40]
Photonik 3/2010
