Ultraschnelle Photodetektoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen

14.03.2011 - Deutschland

Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind vielversprechende Elemente für optoelektronische Bauteile. Bisher fehlten jedoch elektronische Methoden, um die optischen und elektronischen Eigenschaften der Nanoröhrchen zeitaufgelöst zu analysieren. Ein Team von Physikern um Professor Alexander Holleitner von der Technischen Universität München (TUM) hat jetzt eine Methode entwickelt, mit der sie unmittelbar messen können, wie schnell sich Elektronen in diesen extrem kleinen Photodetektoren bewegen.

Nanoröhrchen aus Kohlenstoff haben eine Vielzahl außergewöhnlicher Eigenschaften. Sie sind vielversprechende Kandidaten für optoelektronische Bauteile. Doch bisher ist es extrem schwierig, ihre optischen und elektronischen Eigenschaften zu analysieren und zu beeinflussen. Nun gelang es Wissenschaftlern um Professor Alexander Holleitner, Physiker an der TU München und Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM), eine Messmethode zu entwickeln, die eine zeitliche Auflösung des sogenannten Photostroms in Photodetektoren bis in den Pikosekundenbereich ermöglicht.

„Eine Pikosekunde ist ein sehr kleines Zeitintervall“, erläutert Alexander Holleitner. „Wären die Elektronen mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs, so kämen sie in einer Sekunde fast bis zum Mond. In einer Pikosekunde kämen sie dagegen nur etwa einen Drittel Millimeter weit.“ Die neue Messtechnologie ist rund hundert Mal schneller als die bestehenden Methoden. So können die Wissenschaftler um Professor Alexander Holleitner nun die Geschwindigkeit der Elektronen genau messen. In den Kohlenstoff-Nanoröhrchen legen die Elektronen in einer Pikosekunde nur etwa 8 Zehntausendstel Millimeter oder 800 Nanometer zurück.

Kern des untersuchten Photodetektors sind Kohlenstoff-Röhrchen mit einem Durchmesser von nur etwa einem Nanometer, die über metallische Kontakte elektronisch eingebunden sind. Die Geschwindigkeit der Elektronen bestimmen die Physiker mit Hilfe von koplanaren Streifenleitungen, die sie über ein spezielles zeitaufgelöstes Laser-Spektroskopie-Verfahren auswerten, die Pump-Probe Technik. Hierbei werden mit einem Laserpuls Elektronen in den Kohlenstoff-Nanoröhrchen angeregt und die Dynamik dieses Prozesses mit einem zweien Laser verfolgt.

Die neuentwickelte Methode liefert zahlreiche Erkenntnissen und neue Analysemöglichkeiten, die für eine Reihe von Anwendungen interessant sind. Dazu gehört vor allem die Weiterentwicklung optoelektronischer Bauteile wie nanoskalige Photodetektoren, Photoschalter und Solarzellen.

Die Arbeit wurde unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich, NIM) und des Center for NanoScience (CeNS) an der Ludwig-Maximilians-Universität München. An der Publikation wirkten außerdem Physiker der Universität Regensburg und der Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich mit.

Originalveröffentlichung

Time-Resolved Picosecond Photocurrents in Contacted Carbon Nanotubes, Leonhard Prechtel, Li Song, Stephan Manus, Dieter Schuh, Werner Wegscheider, Alexander W. Holleitner, Nano Letters 2011, 11 (1), pp 269–272

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