Wissenschaftler der Technischen Universität Darmstadt berichteten in Applied Physics Letters über einen neu entwickelten Terahertz-Sender. Der liefert die höchste Frequenz, die jemals ein elektronischer Sender erreichte. Dabei ist der neue Sender winzig klein und arbeitet auch bei Raumtemperatur. Die Forscher um Dr. Michael Feiginov vom Institut für Mikrowellentechnik und Photonik der TU Darmstadt sehen damit Möglichkeiten für neue Anwendungen der Terahertz-Strahlung bei der zerstörungsfreien Materialprüfung oder der medizinischen Diagnostik.
Der neue Terahertz-Sender
Der neue Sender der Darmstädter Physiker und Ingenieure ist nicht einmal ein Quadratmillimeter groß. Für seine Herstellung wird vor allem auf bekannte Halbleitertechnologie zurückgegriffen. Zudem stellten die Forscher mit ihm einen neuen Rekord bei der Frequenz auf: Ihre Strahlenquelle, eine so genannte Resonanztunneldiode (RTD-Diode), sendet mit einer Frequenz von 1,111 Terahertz. Das ist, so Michael Feiginov, die höchste jemals erreichte Frequenz eines aktiven Halbleiterbauelements. Die Physiker können dazu noch zeigen, dass ein solcher kleiner Sender auch noch deutlich höhere Frequenzen bis hin zu drei Terahertz erzeugen kann. „Das galt bislang in der Terahertzforschung als unmöglich“, so Michael Feiginov. Der will diesen Sender in den kommenden Jahren weiter entwickeln und zu diesen höheren Frequenzen vorstoßen.
Bei der Miniaturisierung des Senders stießen die Forscher der TU Darmstadt und der Firma Advanced Compound Semiconductor Technologies GmbH (ACST) in den vergangenen Jahren an die Grenze des technisch Möglichen. Das Kernstück der RTD-Diode ist eine so genannte Doppel-Barriere-Struktur, in die ein so genannter Quantum-Well eingebettet ist. Bei dem Quantum-Well handelt sich um eine sehr dünne Schicht des Halbleiters Indium-Gallium-Arsenid. Die ist zwischen zwei ebenfalls äußerst dünnen Barriereschichten des Halbleiters Aluminium-Arsenid eingebettet. Jede Schicht ist ein bis wenige Nanometer stark. Diese doppelte Barriere sorgt durch einen quantenmechanischen Effekt dafür, dass elektrische Schwingungen in einem Terahertz-Oszillator immer wieder verstärkt werden. So wird eine konstante Terahertz-Strahlung emittiert.
Anwendungsfelder des Terahertz-Senders
Dass die neu entwickelte RTD-Diode der Darmstädter Wissenschaftler auch bei Raumtemperatur funktioniert, das macht sie für technische Anwendungen attraktiv. „Sie könnte zum Beispiel für spektroskopische Untersuchungen an Molekülen dienen, die im Terahertz-Bereich ihre Resonanzen haben“, sagt Michael Feiginov. Somit ließen sich Stoffe, die sich bislang der Spektralanalyse entziehen, mit dieser weit verbreiteten Methode im Terahertzbereich untersuchen.
So ließen sich in der medizinischen Diagnostik Fortschritte bei der Differenzierung von kranken und gesunden Geweben erzielen. Mithilfe der Terahertzstrahlung lassen alltägliche Materialien wie Kunststoff, Papier, Textilien oder Keramiken durchdringen und die Qualität zerstörungsfrei prüfen. Verbrennungsprozesse in einem laufenden Motor ließen sich analysieren und Sendungen ohne sie zu öffnen auf gefährliche Substanzen überprüfen. Doch derzeit ist das noch weitgehend Zukunftsmusik. Denn Sender wie Empfänger für Terahertz-Strahlung sind sehr groß und sehr teuer. Da kann der neue kleine Halbleitersender ganz neue Möglichkeiten eröffnen.