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Colloidal quantum dot infrared photodetectors

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Verbesserte nanoskalige Photodetektoren

Systeme für die Detektion elektromagnetischer (EM) Strahlung im Infrarotbereich (IR) sind für viele Bereiche von unschätzbarem Wert. Neuartige IR-Photodetektoren mit deutlich mehr Leistung könnten daher Herstellern in der EU und der Wirtschaft wichtige Vorteile bringen.

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Alle Objekte emittieren und absorbieren IR-Strahlung, die wir Menschen als Wärme wahrnehmen können. Von der militärischen bis zur chemischen Überwachung, von der biomedizinischen Bildgebung bis hin zu sehenden Maschinen: IR-Technologie findet eine Vielzahl von Anwendungen. Die Verbesserung der Empfindlichkeit bei gleichzeitiger Verringerung der Kosten sichert der EU einen Wettbewerbsvorteil auf einem großen globalen Markt. Das EU-finanzierte Projekt COQUADOT ("Colloidal quantum dot infrared photodetectors") hat sich dieser Herausforderung angenommen. Ziel war es, die fortschrittlichen Eigenschaften von lösungsverarbeiteten kolloidalen Quantenpunkten mit kostengünstigen, großskaligen Herstellungsverfahren, die mit der monolithischen Silizium-Dünnschicht-Technologie kompatibel sind, zu kombinieren. Quantenpunkte sind winzige Nanokristalle aus Halbleitermaterial. Die Wissenschaftler von COQUADOT erforschten Wege für eine optische Abtastung mit hoher Empfindlichkeit im sichtbaren und im IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums mithilfe von Quantenpunkten und Plasmonik. Die Plasmonik ist ein relativ neues Feld. Dabei geht es um die Verstärkung in optischen Nahfeldern mit Sub-Wellenlängen, wenn das EM-Feld in einer Metallgrenzfläche oder in metallischen Nanostrukturen mit leitfähigen Elektronen interagiert. Die Integration von Quantenpunkten mit plasmonischen Strukturen mitsamt neuartigen Nano-Architekturen ergab eine erhebliche Leistungssteigerung. Neuartige Hybridphotodetektoren vereinten kolloidale Quantenpunkte mit Graphen und anderen 2D-Halbleitern. Diese führte zu einer beispiellosen Leistung (Empfindlichkeiten und Sensitivitäten). Die innovativen Photodetektoren wurden weiterentwickelt, um sowohl im IR- als auch im sichtbaren Bereich zu funktionieren. In einem zweiten Schwerpunkt wurde ein neuer Ansatz untersucht, um die Bandlückeneinschränkung von Quantenpunkt-Halbleitern zu überwinden. Plasmonen-basierte Photodetektoren auf heißen Trägern nutzen energetische Elektronen, die durch die Entspannung der Plasmonen-Resonanz erzeugt werden. Letzteres ist das Oberflächenphänomen einer Erregung bei bestimmten Materialgrenzen, bei der die Photostimulation zu einer Resonanzschwingung der Leitungselektronen führt. Die metallische Nanostruktur wurde so gestaltet, dass die spektrale Empfindlichkeit des Photodetektors durch die Geometrie und nicht durch die Bandlücke des Halbleiters bestimmt wird. Auf diese Weise will man neue Wege für die optische Abtastung finden und kostengünstige IR-Photodetektoren erhalten. Die Ergebnisse von COQUADOT leisten einen wichtigen Beitrag zu einem einflussreichen und wachsenden Bereich. Eine verbesserte Leistung von IR-Photodetektoren wird nicht nur die Marktpenetration fördern, sondern auch neue Hightech-Anwendungen möglich machen.

Schlüsselbegriffe

Photodetektoren, Infrarot, kolloidaler Quantenpunkt, optische Abtastung, Plasmonik

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