Forschung -

Neues Hybridmaterial als Fotodetektor geeignet

Um den Bedarf an optoelektronischen Bauteilen decken zu können, braucht die Industrie neue Halbleitermaterialien. Diese sollten eine möglichst breite Wellenlängenspanne erfassen, aber auch preisgünstig sein. Ein neuer Hybridwerkstoff erfüllt beide Anforderungen.

Metallorganische Gerüste (Metal-Organic Frameworks, MOFs) haben sich in den vergangenen zwanzig Jahren zu einem gefragten Materialsystem entwickelt. Die hochporösen Stoffe, die bis zu 90 % aus leerem Raum bestehen, werden bisher vor allem zum Speichern von Gasen, für die Katalyse oder zur langsamen Freisetzung von Arzneimitteln im menschlichen Körper verwendet. „Die an der TU Dresden entwickelte metallorganische Gerüstverbindung besteht aus einem organischen Material mit eingebauten Eisenionen“, erklärt Dr. Artur Erbe, Leiter der Arbeitsgruppe ‚Transport in Nanostrukturen‘ am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf. Besonders daran sei, dass das Gerüst übereinanderliegende Schichten mit halbleitenden Eigenschaften bilde, was es für potenzielle Anwendungen in der Optoelektronik interessant mache.

In der Arbeitsgruppe entstand die Idee, das halbleitende, zweidimensionale MOF als Fotodetektor zu nutzen. Um diese Möglichkeit zu erforschen, nahm Himani Arora die elektronischen Eigenschaften des Halbleiters unter die Lupe. Die Doktorandin untersuchte unter anderem, inwieweit die Lichtempfindlichkeit von Temperatur und Wellenlänge abhängig ist und kam zu einem vielversprechenden Ergebnis: Mit 400 bis 1575 nm kann der Halbleiter einen breiten Wellenlängenbereich des Lichts erfassen. Das Spektrum reicht somit von der Ultraviolettstrahlung bis ins nahe Infrarot. „Wir haben hier zum ersten Mal eine solche breitbandige Fotoreaktion für einen vollständig auf MOF-Schichten basierenden Fotodetektor nachgewiesen“, stellt Arora fest. Das seien ideale Eigenschaften, um das Material als aktives Element in optoelektronischen Bauelementen zu nutzen.

Welches Spektrum an Wellenlängen ein Halbleitermaterial erfassen und in elektrische Signale umwandeln kann, hängt im Wesentlichen von seiner Bandlücke ab. Je kleiner die Bandlücke, desto weniger Energie ist nötig, um ein Elektron anzuregen. „Weil bei dem von uns untersuchten Material die Bandlücke sehr klein ist, reicht schon eine geringe Lichtenergie zur Strominduktion aus“, erläutert Arora Himani. „Das erklärt den großen nutzbaren Spektralbereich.“

Mittels Abkühlen des Detektors auf niedrigere Temperaturen lässt sich die Leistung noch verbessern, weil das die thermische Anregung von Elektronen unterdrückt. Weitere Verbesserungen sind über die Optimierung der Bauteilkonfiguration, die Herstellung zuverlässiger Kontakte und die Weiterentwicklung des Materials möglich.

„Nächster Schritt ist die Skalierung der Schichtdicke“, gibt Artur Erbe einen Ausblick. In der Studie wurden 1,7 µm dicke MOF-Filme zum Aufbau des Fotodetektors verwendet. Für die Integration in Bauteile müssen diese wesentlich dünner sein. Ziel ist es, die übereinandergeschichteten Lagen möglichst auf 70 nm zu reduzieren. Bis zu dieser Schichtdicke sollte das Material noch vergleichbare Eigenschaften besitzen. Gelingt der Nachweis, dass seine Funktion in einer deutlich dünneren Schicht erhalten bleibt, kann die Weiterentwicklung bis hin zur Fertigungsreife beginnen.

H. Arora et al.: Demonstration of a Broadband Photodetector Based on a Two‐Dimensional Metal-Organic Framework; Advanced Materials, 2020 (DOI: 10.1002/adma.201907063)

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