Auf dem Weg zur transparenten Infrarot-Optoelektronik

• Antragsteller: Dr. Fabian Hartmann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563850276

Ziel des Projekts ist es, die grundlegende Herausforderung anzugehen, die intrinsisch widersprüchlichen Eigenschaften von Infrarottransparenz und elektrischer Leitfähigkeit in Einklang zu bringen, indem ein umfassender theoretischer Rahmen entwickelt und experimentelle Demonstrationen zum Machbarkeitsnachweis bereitgestellt werden. Infrarot-transparente leitfähige Elektroden (TCEs) sind für fortgeschrittene Anwendungen wie Infrarotbeleuchtung, -erfassung und -bildgebung von entscheidender Bedeutung. Das Erreichen einer hohen optischen Transparenz im Infrarotbereich (> 3 μm) bei gleichzeitiger Beibehaltung einer guten elektrischen Leitfähigkeit stellt jedoch ein tiefgreifendes wissenschaftliches Hindernis dar, das die Wirksamkeit aller bisher untersuchten Elektroden einschränkt. Dieser Kompromiss stellt einen großen Engpass für optoelektronische Infrarotgeräte dar, die die gleichzeitige Optimierung dieser beiden Eigenschaften erfordern. Die Lösung dieses Problems ist besonders wichtig, um Bildgebung im mittleren Infrarotbereich (MWIR), drahtlose Kommunikation (unter Nutzung atmosphärischer Übertragungsfenster) sowie bio-chemische Sensorik und Diagnostik zu ermöglichen, die auf selektiven molekularen Absorptionen basieren. Diese Anwendungen erfordern innovative Lösungen, einschließlich breitbandiger Leuchtdioden (LEDs) mit niedriger Kohärenz und hochempfindlicher Fotodetektoren (PDs), die mit der aktuellen TCE-Technologie weiterhin unerreichbar sind. In diesem Projekt werden wir erstmals experimentell einen innovativen Ansatz mit monolithischen, kontrastreichen, eindimensionalen Gittern mit Metallintegration (metalMHCG) als Lösung demonstrieren. Obwohl es sich bei MetalMHCG um ein eindimensionales Subwellenlängengitter handelt, bietet es im Vergleich zu anderen TCEs eine nahezu vollständige und polarisationsunabhängige Lichttransparenz sowie eine beispiellos höhere elektrische Leitfähigkeit. Dieser Mechanismus zeigt eine bemerkenswerte Strahlungsübertragung, wodurch die Fresnel-Reflexion effektiv eliminiert und die Metallabsorption und -reflexion nahezu vollständig reduziert wird. Daher kann MetalMHCG in eine Vielzahl von Materialien integriert werden, die üblicherweise in der Optoelektronik verwendet werden, insbesondere in Halbleiter mit hohem Brechungsindex, und bietet die außergewöhnliche Transparenz, die für oberflächenemittierende Dioden (LEDs) und Fotodetektoren (PDs) erforderlich ist. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für revolutionäre MWIR-Vertikal-LEDs und PDs-Arrays, die auf einem einzigen Wafer integriert sind, ein weiterer wichtiger Meilenstein dieses Projekts. Durch die Nutzung von MetalMHCG werden diese Geräte erhebliche Fortschritte bei der Emissions- und Erkennungsleistung erzielen. Mit ihrer vielseitigen Funktionalität haben sie das Potenzial, die Kernkomponenten von Infrarotsystemen der nächsten Generation für Sensorik, Diagnose, Bildgebung und Kommunikation zu werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Tomasz Grzegorz Czyszanowski; Professor Dr. Marcin Motyka; Professorin Dr. Anna Szerling