Forschung & Entwicklung

Neuartiger Sender für Terahertzwellen

Ein mit Gold gespicktes Germaniumbauteil erzeugt kurze, breitbandige Terahertzpulse. Da sich das Bauteil mit den Methoden der Halbleiterindustrie fertigen ließe, verspricht die Entwicklung einen breitgefächerten Einsatz in Forschung und Technik.

Erst seit Beginn der 2000er Jahre ist es möglich, halbwegs passable Quellen für Terahertzwellen zu bauen. Perfekt sind diese Sender aber noch nicht – sie sind relativ groß und teuer, und die von ihnen abgegebene Strahlung hat nicht immer die gewünschten Eigenschaften.

Eine der heute etablierten Erzeugungsmethoden basiert auf einem Galliumarsenidkristall. Wird dieser Kristall mit kurzen Laserpulsen bestrahlt, bilden sich im Galliumarsenid Ladungsträger. Diese Ladungen werden durch eine angelegte Spannung beschleunigt. Das erzwingt die Abstrahlung einer Terahertzwelle.

Doch diese Methode besitzt mehrere Nachteile: „Sie lässt sich nur mit relativ teuren Speziallasern betreiben“, erläutert Physiker Dr. Harald Schneider vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). „Mit Standardlasern, wie man sie für die Glasfaserkommunikation verwendet, funktioniert das nicht.“ Ein weiteres Manko: Galliumarsenidkristalle liefern nur relativ schmalbandige Terahertzpulse und damit einen eingeschränkten Frequenzbereich – was ihr Einsatzgebiet merklich begrenzt.

Deswegen setzten Schneider und sein Team auf den Halbleiter Germanium. „Bei Germanium lassen sich günstigere Laser nutzen, sogenannte Faserlaser“, sagt Schneider. Zudem sind Germaniumkristalle sehr transparent und erlauben damit die Emission von breitbandigen Pulsen. Bislang aber gab es ein Problem: Wird reines Germanium mit einem kurzen Laserpuls bestrahlt, dauert es mehrere Mikrosekunden, bis sich die elektrische Ladung im Halbleiter wieder abgebaut hat. Erst danach kann der Kristall den nächsten Laserpuls aufnehmen. Heutige Laser können ihre Impulse im Takt von wenigen Dutzend Nanosekunden abfeuern – eine Schussfolge, viel zu schnell für das Germanium.

Um diese Schwierigkeit zu meistern, suchten die Wissenschaftler nach einem Weg, mit dem sich die elektrischen Ladungen im Germanium schneller abbauen lassen. Die Lösung war Gold. Sie nutzten einen Ionenbeschleuniger, um Goldatome in einen Germaniumkristall zu schießen. Dabei drang das Gold bis zu 100 nm tief in den Kristall ein. Anschließend erhitzten die Forscher den Kristall einige Stunden lang auf 900 °C. Dies sorgte dafür, dass sich die Goldatome gleichmäßig im Germaniumkristall verteilten.

Der Erfolg zeigte sich, als das Team das goldgespickte Germanium mit ultrakurzen Laserpulsen beleuchtete: Statt sich für mehrere Mikrosekunden im Kristall zu bewegen, verschwanden die elektrischen Ladungsträger bereits nach knapp 2 ns wieder. Das Gold fungierte dabei als Falle, die Ladungen einfängt und neutralisieren hilft. „Dadurch lässt sich der Germaniumkristall nun mit hoher Wiederholungsrate mit Laserpulsen beschießen, und er funktioniert trotzdem“, sagt Dr. Abhishek Singh.

Die neue Methode ermöglicht Terahertzpulse mit extrem großer Bandbreite: Statt 7 THz wie bei der etablierten Galliumarsenidtechnik ist es nun das Zehnfache – 70 THz. Ein weiteres Plus: Im Prinzip lassen sich die Germaniumbauteile mit derselben Technologie verarbeiten, mit der auch Mikrochips hergestellt werden. Anders als Galliumarsenid ist Germanium kompatibel mit Silizium. „Und da sich die neuen Bauteile zusammen mit herkömmlichen Glasfaserlasern betreiben lassen, könnte man die Technik vergleichsweise platzsparend und preiswert gestalten“, sagt Schneider.

Das dürfte das golddotierte Germanium nicht nur für wissenschaftliche Anwendungen interessant machen, etwa die detaillierte Analyse innovativer zweidimensionaler Materialien wie Graphen. Möglich scheinen auch Anwendungen in Medizin und Umwelttechnik. Denkbar sind zum Beispiel Sensoren, die bestimmte Gase in der Atmosphäre anhand ihres Terahertzspektrums aufspüren.

von mn

Originalveröffentlichung:

[A. Singh, A. Pashkin, S. Winnerl, M. Welsch, C. Beckh, P. Sulzer, A. Leitenstorfer, M. Helm, H. Schneider: Up to 70 THz bandwidth from an implanted Ge photoconductive antenna excited by a femtosecond Er:fibre laser, Light: Science & Applications (2020), DOI: 10.1038/s41377-020-0265-4]

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