Synthese und wellenlängen-sensitive nahinfrarote Photodetektion mit einwandigen Kohlenstoffnanoröhren großen Durchmessers und maßgeschneiderter Bandlückenverteilung

• Antragsteller: Professor Dr. Ralph Krupke
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392403255

Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs) kommen in verschiedenen elektronischen Varianten mit strukturabhängiger Bandlücke vor. Halbleitende (s-) SWCNTs sind auch in der Lage, Licht im nah-infraroten (NIR) Bereich von unterhalb eines Mikrometers über das technologisch wichtige Telekommunikationsband bis hin zu mehreren Mikrometern selektiv zu absorbieren. Infolgedessen werden SWCNTs als ein ideales Material für die wellenlängenempfindliche NIR-Photodetektion angesehen, von der erwartet wird, dass sie in neuen Photoleitern, optischen Dioden und optischen Transistoren verwendet werden. Allerdings ist die Leistung von SWCNT-basierten Detektoren bisher dadurch begrenzt, dass ausgewachsene SWCNTs üblicherweise sowohl metallische als auch halbleitende Nanoröhren enthalten, von denen erstere für eine effiziente Photodetektion ungeeignet sind. Daher schlagen wir vor, wellenlängenempfindliche NIR-Photodetektoren unter Verwendung von s-SWCNTs großen Durchmessers mit maßgeschneiderter Bandlückenverteilung herzustellen und die Leistungsfähigkeit und den Arbeitsmechanismus der Bauelemente zu untersuchen. Dies wird eine gemeinsame Forschungsarbeit des IMR-Teams und des Teams Darmstadt/Karlsruhe sein, die ihr einzigartiges Know-how in der kontrollierten Synthese von SWCNTs und der Integration von SWCNTs in Bauelementarchitekturen einbringen. Wir werden für die kontinuierliche, kontrollierbare Synthese von hochwertigen s-SWCNTs mit maßgeschneiderten Bandlücken durch Kombination von Katalysatordesign und in-situ-Ätzen einen schwebenden Katalysator für chemische Gasphasenabscheidung darstellen. Die Bandlückenverteilung wird durch Hetero-Atom-Dotierung oder Flüssigphasenchromatographie weiter optimiert. Wir werden Photodetektoren mit s-SWCNTs großen Durchmessers und maßgeschneiderter Bandlückenverteilung entweder auf der Basis von s-SWCNT-Filmen oder aus der Lösung mittels Dielektrophorese herstellen, werden räumlich und spektral aufgelöste Photoströme messen und dadurch den Mechanismus zur Photostromerzeugung aufklären. Wir entwickeln dabei eine Bauelementarchitektur, die eine effiziente Umwandlung von Licht in Strom in dem ausgewählten Wellenlängenbereich ermöglicht und optimieren SWCNT-basierte NIR-Photodetektoren hinsichtlich guter Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität. Neben der Forschung an grundlegenden Fragen zur gezielten Synthese von halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren großen Durchmessers und der Photostromerzeugung im nahinfraroten Bereich mittels Nanoröhren mit kleiner Bandlücke, stellt die Entwicklung von Nahinfrarot-Photodetektoren mit wellenlängenspezifischer Absorption einen wichtigen Schritt zur Entwicklung von NIR-Spektrometrie ohne dispersive Komponenten dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Chang Liu