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Dienstag, 19 Mai 2020 00:00

Mit Gold gespickt – Forscherteam präsentiert neuartigen Sender für Terahertz-Wellen

von Dr.-Ing. Richard Suchentrunk
Geschätzte Lesezeit: 1 - 2 Minuten
Terahertz-Welle Terahertz-Welle

Terahertz-Wellen werden für Wissenschaft und Technologie immer wichtiger. Allerdings ist die Erzeugung dieser Wellen nach wie vor eine Herausforderung. Einem Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), der TU Dresden und der Universität Konstanz ist nun ein deutlicher Fortschritt gelungen. Es hat ein mit Gold gespicktes Germaniumbauteil entwickelt, das kurze Terahertz-Pulse mit einer vorteilhaften Eigenschaft erzeugt: Die Pulse sind überaus „breitbandig“, liefern also viele verschiedene Terahertz-Frequenzen zugleich.

Eine der heute etablierten Erzeugungsmethoden für Terahertz-Wellen basiert auf der Bestrahlung eines Kristalls aus Galliumarsenid mit ultrakurzen Laserpulsen, sie hat allerdings verschiedene Nachteile. Deswegen setzt das Forscherteam auf ein anderes Material, den Halbleiter Germanium. Wird aber 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 aber ihre Impulse im Takt von wenigen Dutzend Nanosekunden abfeuern, eine Schussfolge, viel zu schnell für das Germanium. Um diese Schwierigkeit zu meistern, suchten die Fachleute nach einem Trick, mit dem sich die elektrischen Ladungen im Germanium schneller abbauen lassen. Die Lösung fand sich beim Edelmetall Gold. Mit einen Ionenbeschleuniger werden Goldatome in einen Germaniumkristall geschossen, das Gold dringt dabei bis zu 100 Nanometer tief in den Kristall ein. Anschließend wird der Kristall einige Stunden lang auf 900 Grad Celsius erhitzt, was dazu führt, dass sich die Goldatome gleichmäßig im Germaniumkristall verteilen.

Der Erfolg zeigte sich, als das Team das goldgespickte Germanium mit ultrakurzen Laserpulsen beleuchtete: Statt für mehrere Mikrosekunden im Kristall herumzugeistern, verschwanden die elektrischen Ladungsträger bereits nach knapp zwei Nanosekunden wieder, etwa tausendmal schneller als vorher. Bildlich gesprochen fungierte das Gold 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.
Die neue Methode ermöglicht Terahertz-Pulse mit extrem großer Bandbreite: Statt 7 Terahertz wie bei der etablierten Galliumarsenid-Technik ist es nun das Zehnfache – 70 Terahertz. Auf einen Schlag bekommt man ein breites und lückenloses Spektrum. Im Prinzip lassen sich die Germaniumbauteile mit derselben Technologie verarbeiten, mit der auch Mikrochips hergestellt werden. Das golddotierte Germanium bietet sich für zahlreiche Anwendungen in Grundlagenforschung, Medizin oder Umwelttechnik (Sensorik) an.

www.hzdr.de

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  • Ausgabe: 5
  • Jahr: 2020
  • Autoren: Dr.-Ing. Richard Suchentrunk

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