Terahertz-Strahlen sind zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen angesiedelt: Sie haben eine Wellenlänge im Millimeterbereich oder etwas darunter. Für viele technische Anwendungen ist das genau die richtige Größenordnung – etwa für Sicherheitsscanner am Flughafen, oder auch bei Sensoren, die ganz bestimmte chemische Substanzen nachweisen. Doch unglücklicherweise ist gerade dieser so wichtige Zwischenbereich technisch nur schwer zu erzeugen. An der TU Wien nahm man nun eine dafür geeignete Technik genauer unter die Lupe – die sogenannten „RTD-Oszillatoren“, die aus elektronischen Bauteilen und winzigen Antennen bestehen. Man konnte zeigen, wie man mit ihnen deutlich mehr Strahlung und deutlich mehr Effizienz erreichen kann.
Terahertz: Der merkwürdige Bereich dazwischen
Kurze und lange Wellenlängen werden auf technisch völlig unterschiedliche Arten erzeugt: Lange Wellen lassen sich sehr einfach produzieren, indem man eine Antenne mit Wechselstrom versorgt. So funktionieren Radiosender, Handymasten, oder auch die Mikrowellenerzeuger in Mikrowellenöfen. Kürzere Wellenlängen – etwa sichtbares Licht oder Röntgenstrahlen – erzeugt man allerdings ganz anders: Laser, LEDs oder andere kurzwellige Lichtquellen nutzen die quantenphysikalischen Eigenschaften von Atomen, Molekülen oder Halbleitern aus.
Genau zwischen diesen beiden Welten sitzt der Terahertzbereich – deshalb ist es technisch so herausfordernd, solche elektromagnetische Wellen herzustellen. „Wir machen das, indem wir eine Resonanztunneldiode (RTD) an eine winzige Antennenstruktur koppeln“, erklärt Prof. Michael Feiginov vom Institute of Electrodynamics, Microwave and Circuit Engineering (EMCE) der TU Wien.
Die spezielle Diode ist ein quantenmechanisches Bauelement mit sehr speziellen Eigenschaften: In einem bestimmten Bereich hat sie einen negativen differentiellen Widerstand – das bedeutet: Mehr elektrische Spannung führt nicht wie sonst zu mehr Stromfluss, sondern zu weniger Stromfluss. Durch diese Eigenschaft kann man die Diode dafür nutzen, bestimmte Frequenzen zu verstärken. Diese Frequenzen werden dann an die Antenne geschickt, die sie dann als Terahertzwellen abstrahlt. Alles zusammen kann in einem Chip integriert werden.
Erfolg durch winzige Tunnelbarrieren
Michael Feiginovs Team untersuchte, wie man die Dioden optimieren kann. Das Verhalten der Diode beruht auf quantenmechanischen Effekten, durch die der elektrische Strom durch sogenannte Tunnelbarrieren gelangt. Diese Barrieren sind winzige quantenmechanische Hindernisse, mit einer Dicke im Nanometerbereich. In der Diode der TU Wien sind diese Barrieren ganz besonders dünn – sie messen bloß 1,6 oder 1,0 Nanometer.
„Wir konnten zeigen, dass durch besonders dünne Tunnelbarrieren eine sehr hohe Strahlungsleistung erzielt werden kann“, sagt Gabriele Picco. „Wir testeten das mit unterschiedlichen geometrischen Parametern und unterschiedlichen Frequenzen. Wir kommen dabei auf bemerkenswerte Zahlen: 370 Mikrowatt bei 199 GHz, 215 Mikrowatt bei 422 GHz und 73 Mikrowatt bei 863 GHz – das sind die bisher höchsten Werte für diese einfache Oszillatorstruktur.“
Auch Rekordwerte bei der Umwandlungseffizienz von Gleichstrom zu Terahertzstrahlung wurden erzielt – 11% bei 220 GHz und 8% bei 420 GHz. Interessanterweise wird die höchste Effizienz nicht unbedingt dort erreicht, wo die Strahlungsleistung am höchsten ist. „Je nachdem, welche Größe man optimieren will, muss man unterschiedliche Parameter wählen“, ergänzt Petr Ourednik.
Blick in die Zukunft: Noch mehr Leistung aus dem Chip
Bisher wurde die neue Designstrategie an der einfachsten Form solcher Bauteile getestet – an RTD-Oszillatoren mit symmetrischer Antenne. Doch die Ergebnisse sollen nun auf andere, komplexere Oszillator-Typen übertragen werden. „Wir gehen davon aus, dass unsere Schlussfolgerungen weit über die hier untersuchte Struktur hinaus gültig sind“, sagt Gabriele Picco. „Dünne Tunnelbarrieren und hohe Stromdichten sollten ganz allgemein helfen, die Leistung und Effizienz von RTD-Oszillatoren zu verbessern – bei Terahertzfrequenzen ebenso wie im Sub-Terahertzbereich.“
Das liefert nicht nur konkrete Bauanleitungen für leistungsfähigere Terahertz-Quellen, sondern auch neue Forschungsfragen. In Zukunft will das Team untersuchen, wie sich solche Oszillatoren in komplexeren Anordnungen verhalten – etwa in gekoppelten Arrays, in denen viele Einzelelemente zusammenarbeiten. Dabei geht es um mehr als bloße Optimierung: „Uns interessiert ganz grundsätzlich, wo die physikalischen Grenzen dieser Technologie liegen“, sagt Feiginov. „Wir wollen verstehen, wie viel Leistung und Effizienz mit solchen Bauteilen letztlich möglich ist.“
Originalpublikation
Prof. Michael Feiginov
Institute of Electrodynamics. Microwave and Circuit Engineering
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