Thermoelektrikum als Lichtsensor

  • 23. May 2017

Nanostrukturen ermöglichen eine genaue Intensitätsmessung über einen weiten Spektralbereich.

Thermoelektrische Materialien können über den Seebeck-Effekt elektrischen Strom aus Abwärme erzeugen. Zahlreiche Proto­typen etwa zum Einsatz am Autoauspuff gibt es bereits. Am California Institute of Technology in Pasadena erkannte nun eine amerikanische Forscher­gruppe eine weitere Anwendung für nanostrukturierte Thermo­elektrika. Aus ihnen fertigten sie einen empfindlichen Licht­sensor, der über einen weiten Spektral­bereich die Intensität einfallender Licht­wellen detektieren konnte.

Abb.: Aufbau eines neuartigen Photodetektors aus thermoelektrischen Nanodrähten, die auf einem thermisch isolierenden Wellenleiter angeordnet sind. (Bild: K.W. Mauser et al., Caltech)

Abb.: Aufbau eines neuartigen Photodetektors aus thermoelektrischen Nanodrähten, die auf einem thermisch isolierenden Wellenleiter angeordnet sind. (Bild: K.W. Mauser et al., Caltech)

„Unsere nanophotonischen, thermo­elektrischen Strukturen können die Basis für eine neuen Art Licht­sensoren auch bis in den Infrarot­bereich legen“, sagt Kelly W. Mauser vom Thomas J. Watson Laboratory am Caltech. Mit ihren Kollegen konstruierte sie aus einer dünnen Silizium­nitrid­schicht einen Wellenleiter, auf den sie zusätzlich eine 50 Nanometer dicke Lage aus Silizium­dioxid deponierten. Über ein Sputterverfahren lagerten sie auf den Wellenleiter verschiedene thermo­elektrische Materialien wie Wismut­tellurid und Antimontellurid ab. Diese thermo­elektrischen Nanodrähte waren 50 Mikrometer lang bei Kantenlängen von 40 und 100 Nanometern. Diese Nanodrähte ordneten sie in symmetrischen Abständen von 470 Nanometern an.

Um die Eignung der Nanostrukturen für einen Lichtdetektor zu belegen, wurden sie über den Wellenleiter mit Licht bekannter Intensität im sichtbaren Spektral­bereich zwischen 500 und 700 Nanometern beleuchtet. Auf einer Seite absorbierten die thermo­elektrischen Nanodrähte das Licht gut und heizten sich dabei innerhalb von etwa 150 Mikro­sekunden um bis zu drei Grad auf. Auf der anderen Seite wurde das Licht stark reflektiert, so dass keine nennenswerte Erwärmung auftrat. Die geringe Temperaturdifferenz reichte aus, um einen thermo­elektrischen Strom mit Spannungen im Mikrovolt-Bereich zu erzeugen. Aus der Messung dieses Stromflusses konnten Mauser und Kollegen mit hoher Genauigkeit auf die Intensität des Lichts zurück­schließen.

Diese Versuche belegten, dass sich thermo­elektrische Nano­strukturen prinzipiell als empfindliche Photo­detektoren eignen. Im Vergleich zu herkömmlichen Licht­sensoren, die auf dem Photo­effekt basieren, ist ihr Mess­spektrum nicht auf Wellenlängen mit Energien oberhalb einer Bandlücke beschränkt. Und im Unterschied zu Bolo­metern, die eine Licht­intensität direkt über eine Erwärmung eines geeigneten Materials messen, brauchen der thermo­elektrische Lichtsensor nicht gekühlt zu werden. „In weiteren Arbeiten wollen wir die Empfindlichkeit dieser Strukturen im Infrarot-Bereich verbessern“, sagt Mauser. Dann könnte dieses thermo­elektrische Messprinzips zur Entwicklung von günstigen und kompakten hyperspektralen Infrarot­sensoren führen.

Jan Oliver Löfken

DE

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