Durchleuchten im Nanobereich

Physiker der Universität Jena entwickeln einen der kleinsten Röntgendetektoren der Welt

Ein Röntgendetektor kann Röntgenstrahlen, die durch einen Körper hin­durchlaufen und nicht von ihm absorbiert werden, aufnehmen und somit ein Bild des Ge­gen­standes entstehen lassen. Auf diese Weise funktionieren beispielsweise die klassi­schen medizinischen Bildgebungsverfahren, für die diese speziellen elektromagnetischen Wellen vor allem bekannt sind.

hysikern der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es jetzt gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Duisburg, Grenoble und Madrid gelungen, einen der kleinsten Röntgendetektoren weltweit mit einer Auflösung von gerade einmal 200 Nanometern zu entwickeln. Üblicherweise bewegt sich die Auflösung solcher Detek­toren maximal im Mikrometerbereich. Über ihre Methode berichten sie im aktuellen For­schungs­journal „Nature Communications“.

Detektor aus einem Halbleiter-Nanodraht aus Gallium­ar­senid

Der Detektor der Jenaer Physiker besteht aus einem Halbleiter-Nanodraht aus Gallium­ar­senid – hergestellt an der Universität Duisburg-Essen –, der an beiden Enden jeweils un­terschiedlich dotiert ist. Das bedeutet, in einen Teil des Halbleiters sind Zink-Atome, in den anderen Teil Zinn-Atome eingebracht, die seine elektrischen Eigenschaften beeinflussen. Zwischen den beiden unterschiedlichen Zonen existiert ein Grenzbereich – ein soge­nann­ter p-n-Übergang.

Die Jenaer Forscher regten den Halbleiter mit einem im Durchmesser etwa 80 Nanometer großen Röntgenstrahl an und erzeugten so Ladungsträgerpaare am p-n-Übergang. Dafür nutzten sie die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) im fran­zösischen Grenoble, einen der weltweit größten Teilchenbeschleuniger dieser Art. „In dem elektrischen Feld des p-n-Übergangs werden die Elektronen-Loch-Paare – also die La­dungs­träger, die die Röntgenstrahlung hervorruft – auseinandergetrieben“, erklärt Maxi­milian Zapf von der Universität Jena. „Dank detaillierter Röntgenanalysetechniken konnten wir beobachten, was in dem Feld mit den Elektronen passiert.“

Lawineneffekt lässt Draht degradieren

Für die hohe Auflösung des Detektors sorgt die geringe Größe des Drahtes. „Theoretisch sind – je nach Durchmesser des Drahtes – auch noch höhere Auflösungen möglich“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Carsten Ronning von der Universität Jena. „Irgendwann allerdings degradiert der Draht.“ Auch diese Grenzen des Systems sind ein wichtiger Bestandteil des Forschungsergebnisses.

„Durch das elektrische Feld des p-n-Übergangs und die damit ver­bundene Beschleunigung der Ladungsträger entstehen hochenergetische Elektronen – sogenannte hot electrons. Bei zu hoher Beschleunigung interagieren diese mit dem Aus­gangsmaterial des Drahtes, erzeugen weitere Elektronen und lösen so unter Umständen einen Lawineneffekt aus. Es entsteht Wärme – und der Draht degradiert.“

Der Detektor der Jenaer Forscher, dessen Entwicklung das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Verbundforschung sowie die Deutsche Forschungsge­mein­schaft unterstützt haben, zielt nicht darauf ab, in der Medizin zum Einsatz zu kom­men. Dafür wäre er aufgrund seiner geringen Größe viel zu ineffizient. Vielmehr kann die Methode wertvolle Informationen bei der Untersuchung von Materialien liefern. „Viele Bauteile – etwa in Chip-basierten biochemischen Sensoren oder physikalischen Licht­quellen – werden immer kleiner“, sagt Maximilian Zapf. „Unser Detektor könnte bei­spielsweise verwendet werden, um solche nanoskaligen Elemente zu prüfen und ihr Material zu charakterisieren.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Carsten Ronning
Institut für Festkörperphysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtzweg 3, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947300
E-Mail: carsten.ronning@uni-jena.de

Originalpublikation:

M. Zapf, M. Ritzer, L. Liborius, A. Johannes, M. Hafermann, S. Schönherr, J. Segura-Ruiz, G. Martinez-Criado, W. Prost, C. Ronning (2020): Hot electrons in a nanowire hard X-ray detector, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-020-18384-x

https://www.uni-jena.de/200918_Ronning_Röntgendetektor