Photonentechnik, die mitten ins Schwarze trifft

Neuartige Materialien mit einzigartigen Eigenschaften treiben die Weiterentwicklung auf zahlreichen Gebieten sowie die Entwicklung von spannenden neuen Bauelementen und Geräten voran. Eine neue Klasse von Materialien, die Plasmonik, nutzt die Wechselwirkung von Licht mit Kompositen aus, die aus Metallen und Dielektrika bestehen, um zu optischen Eigenschaften zu gelangen, die in der Natur nicht zu finden sind. Man geht davon aus, dass diese Metamaterialien die Leistung vieler optoelektronischer Bauelemente aufwerten werden, wobei die Anwendbarkeit bislang jedoch nur schwer realisierbar ist.

Das EU-finanzierte Projekt "Plasmonically-enhanced quantum dot photodetectors" (PEQUPHOT) wurde ins Leben gerufen, um diese Barriere zu durchbrechen und das Potenzial unter Beweis zu stellen. Es kombiniert zwei neuartige Technologien, eine Art von nanostrukturiertem (Quantenpunkt-)Fotodetektor und eine Plasmonenantenne.

Das Team entschied sich für Fotodetektoren, da die Erfassung optischer Signale für eine Vielzahl von Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Kostengünstige, lösungsorientierte Quantenpunktfotodetektoren gewinnen zunehmend an Interesse. Jedoch musste stets ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Empfindlichkeit gefunden werden. Eine Minimierung der elektrisch aktiven Fläche erhöht die Geschwindigkeit, aber die optisch aktive Fläche muss groß genug sein, um viele Photonen einzufangen. Plasmonenantennen konzentrieren das Licht im Nanobereich, was den Anstoß des Projekts bildete.

Die Wissenschaftler wendeten eine plasmonische zielscheibenartige Struktur an, die aus periodisch angeordneten konzentrischen Metallnuten besteht. Die Nuten konzentrieren und fokussieren das Licht auf die Mitte bzw. ins Schwarze, wodurch die Übertragung durch ein Sub-Wellenlängenloch an dieser Stelle verbessert wird. Sie verkleinern folglich die elektrisch aktive Fläche des Fotodetektors, aber erhalten die optisch aktive Fläche mittels einer plasmonischen Antenne. Die Experimente ergaben, dass die Leistung der Quantenpunktfotodetektoren verbessert werden konnte. Tatsächlich übertraf der plasmonische Zielscheiben-Fotodetektor (plasmonic bull's eye photodetector) beide Referenzen.

PEQUPHOT hat überzeugende neue Beweise erbracht, dass mittels Plasmonik die Leistungsfähigkeit von optoelektronischen Bauelementen verbessert werden kann. Das Projekt leistete einen wichtigen Beitrag auf einem im Wachsen begriffenen Bereich und stärkte die Wettbewerbsposition der EU.