de.wedoany.com-Bericht: Ein Forscherteam des Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Russland hat einen hochempfindlichen Infrarotdetektor vorgestellt, der bei Raumtemperatur arbeitet und ohne Kühlung eine hohe Leistung erzielt.

Infrarotlicht wird in Bereichen wie Wärmebildgebung, Nachtsicht, Gassensorik und optischer Kommunikation eingesetzt. Herkömmliche hochempfindliche Infrarotdetektoren benötigen jedoch oft teure Kühlsysteme, was ihren Einsatz in tragbaren und kostengünstigen Anwendungen einschränkt. Das Team unter der Leitung von Dr. Svetlana I. Serebrennikova und Professor Albert G. Nasibulin von Skoltech entwickelte einen neuartigen Detektor aus zwei komplementären Materialien. Das Bauteil kombiniert ein Netzwerk aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT) mit einem Lithiumniobat-Kristall (LiNbO3). SWCNT sind hohle Kohlenstoffzylinder mit einem Durchmesser von etwa Nanometern, deren Leitfähigkeit äußerst empfindlich auf Änderungen der Gatespannung reagiert. Der LiNbO3-Kristall hingegen arbeitet über einen breiten Infrarotwellenlängenbereich und weist nichtlineare Eigenschaften auf. Die Forschungsergebnisse wurden am 14. Mai 2026 in der Zeitschrift Opto-Electronic Advances, Band 9, Ausgabe 5, veröffentlicht.

Das Kernprinzip des Detektors beruht auf dem pyroelektrischen Effekt in LiNbO3. Wenn der Kristall Infrarotlicht absorbiert, erwärmt er sich geringfügig, verändert seine innere elektrische Polarisation und erzeugt kurzzeitig ein elektrisches Feld. Dieses Feld wirkt wie eine Gatespannung und kann die Leitfähigkeit des angeschlossenen Kohlenstoffnanoröhrennetzwerks um bis zu 10⁵-fach verändern, wodurch die Wärme des einfallenden Lichts in ein starkes elektrisches Signal umgewandelt wird – ein pyroelektrischer Phototransistor. Das Team wies darauf hin, dass frühere ähnliche Bauteile auf Graphenbasis eine schlechte Leistung zeigten, da Graphen keine elektronische Bandlücke besitzt und schwach auf das Gate-Feld reagiert. Halbleitende Kohlenstoffnanoröhren hingegen haben eine Bandlücke und ermöglichen drastische Änderungen der Leitfähigkeit.

Bei der Herstellung züchtete das Team mithilfe einer verbesserten Aerosol-CVD-Methode (chemische Gasphasenabscheidung) hochwertige, spärliche SWCNT-Netzwerke und übertrug den subperkolierenden Film mithilfe einer neuartigen Kapillartransfertechnik auf die Oberfläche von z-geschnittenem LiNbO3. Diese Trockentransfermethode vermeidet Schäden durch Tenside und Verunreinigungen, die bei herkömmlichen Verfahren die Eigenschaften der Nanoröhren beeinträchtigen. Der hergestellte Detektor arbeitet bei Raumtemperatur, deckt einen Wellenlängenbereich von sichtbarem Licht bis 9,3 Mikrometer ab und erreicht eine spezifische Detektivität in der Größenordnung von 10¹⁰ cm·Hz^1/2/W, die um mehrere Größenordnungen höher ist als bei Bauteilen auf Graphenbasis und nahe am theoretischen Limit ungekühlter thermischer Detektoren liegt.

Da der Detektor keine Kühlung benötigt und eine breite spektrale Empfindlichkeit aufweist, eignet er sich für tragbare, energiearme Infrarotsensoranwendungen wie Wärmebildgebung in der Feuerwehr und Gebäudeinspektion, Umweltüberwachung, Qualitätskontrolle in der Fertigung sowie Kurzstrecken-Optokommunikation. Das Forschungsteam gab an, dass der nächste Schritt darin besteht, die Ansprechgeschwindigkeit zu verbessern. Die derzeitige Ansprechzeit beträgt etwa 2 Sekunden, begrenzt durch die Wärmediffusion im 500 µm dicken LiNbO3-Substrat. Dünnere Substrate oder Membranstrukturen könnten die thermische Reaktion deutlich beschleunigen. Das Team plant zudem, die Stabilität durch Schutzschichten zu verbessern, die Reproduzierbarkeit des Halbleiterkanalnetzwerks zu erhöhen und die thermische Kopplung zu optimieren, um die Bildgeschwindigkeit und räumliche Auflösung zu steigern. Die Studie zeigt das Potenzial von auf SWCNT basierenden pyroelektrischen Phototransistoren nahe der theoretischen Detektivitätsgrenze und ebnet den Weg für eine neue Generation kompakter, breitbandiger Infrarotsensoren bei Raumtemperatur.