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Terahertz-Sender der TU Darmstadt schafft neue Möglichkeiten bei der Materialprüfung

Forscher der Technischen Universität Darmstadt haben einen neuen Terahertz-Sender entwickelt. Dieser soll die höchste Terahertz-Frequenz erzeugen, die jemals von einem elektronischen Sender erreicht wurde. Gleichzeitig sei der neuartige Sender winzig klein und funktioniere bei Raumtemperatur. Mit diesen Eigenschaften könnte er neuen Anwendungen in der Terahertz-Strahlung den Weg ebnen - etwa bei der zerstörungsfreien Materialprüfung. In der Automobilindustrie könnte diese Entwicklung beispielsweise in der Qualitätskontrolle bei der Herstellung verschiedener Bauteile, zum Beispiel aus Plastik, von Bedeutung sein.

Mithilfe der Terahertz-Strahlung, die alltägliche Materialien wie Kunststoff, Papier oder auch Keramiken durchdringt, ließe sich die Qualität eines Werkstücks zerstörungsfrei prüfen. Ihre Wellenlänge liegt zwischen einem Zehntelmillimeter und einem Millimeter. Physiker und Ingenieure aus Darmstadt haben nun einen Sender für Terahertz-Strahlung entwickelt, der kleiner als ein Quadratmillimeter ist. Sein Herstellungsprozess soll größtenteils auf herkömmlicher Halbleitertechnologie basieren. Und auch die Frequenz könne sich sehen lassen, erklärt die TU. Denn die Quelle der Forscher um Dr. Michael Feiginov vom Institut für Mikrowellentechnik und Photonik der TU Darmstadt, eine so genannte Resonanztunneldiode (kurz RTD-Diode), sendet mit einer Frequenz von 1,111 Terahertz.

"Das ist die höchste Frequenz, die ein aktives Halbleiterbauelement jemals erreicht hat", freut sich Feiginov. Theoretisch konnte der Physiker außerdem zeigen, dass ein so kleiner Sender, wie ihn die Forschergruppe hergestellt hat, noch höhere Frequenzen bis zu drei Terahertz erzeugen kann. "Das galt bislang in der Terahertz-Forschung als unmöglich", berichtet er weiter. Feiginov möchte den Sender dahingehend weiterentwickeln, dass er diese höheren Frequenzen tatsächlich erreicht. Dadurch könnte die Materialanalyse mithilfe von Terahertz-Strahlung bei einer Auflösung durchgeführt werden als dies mit niedrigeren Terahertz-Frequenzen möglich ist. Es wäre dann möglich, auf den Bildern kleiner Details zu erkennen.

Dass die RTD-Diode der Forscher auch bei Raumtemperatur funktioniert, macht sie noch attraktiver für technische Anwendungen. "Sie könnte zum Beispiel für spektroskopische Untersuchungen an Molekülen dienen, die im Terahertz-Bereich ihre Resonanzen haben", erläutert Feiginov. Das bedeutet, dass Stoffe, die sich bislang der Spektralanalyse entziehen, mit dieser in der Wissenschaft weit verbreiteten Methode im Terahertz-Bereich untersucht werden könnten. Da aktive Halbleiterbauelemente, zu denen auch der Darmstädter Terahertz-Sender zählt, das Herz moderner Informations- und Kommunikationstechnologien und eines jeden elektronischen Gerätes sind, geht Feiginov von vielen weiteren Anwendungsgebieten aus. Das könnten beispielsweise auch Sensoren für Gasanalyse und Radartechnik sein, meint er.

Es sei auch schon darüber gesprochen worden, dass drahtlose Terahetz-Kommunikationslinks die Verkabelung in Autos ersetzen könnten. "Ich persönlich bin skeptisch gegenüber dieser Anwendung - aber wer weiß, vielleicht werden solche Kommunikationslinks konkurrenzfähig." Jedoch: Die Anwendungsgebiete lassen sich heute noch kaum vorhersagen: "Eine höhere Frequenz der Bauteile würde zu neuen Anwendungen oder Einsatzgebieten bei Computern, Handys und anderen elektronischen Geräten führen", erklärt der Physiker.

Bei der Miniaturisierung ihres Bauelementes seien die Forscher der TU Darmstadt in den vergangenen Jahren fast an die Grenze des technisch Möglichen gegangen. Das Herz der RTD-Diode ist eine so genannte Doppel-Barriere-Struktur, in die ein so genannter Quantum-Well (kurz QW) eingebettet ist. Beim QW handelt sich um eine sehr dünne Schicht des Halbleiters Indium-Gallium-Arsenid, die zwischen zwei äußerst dünnen Barriere-Schichten des Halbleiters Aluminium-Arsenid eingebettet ist. Jede der Schichten ist ein bis wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) dünn. Diese Doppel-Barriere-Struktur sorgt mithilfe eines quantenmechanischen Effektes dafür, dass elektrische Schwingungen in einem Terahertz-Oszillator nicht abklingen, sondern immer wieder verstärkt werden, so dass eine konstante Terahertz-Strahlung emittiert wird. Bei der Herstellung ihrer Diode arbeiteten die TU-Forscher mit dem Darmstädter Hersteller von elektronischen Bauelementen ACST zusammen.
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