HISens

Hochsensitive Infrarotsensoren auf Basis kaskadierter Typ-II- Halbleiterübergitter

Moleküle und ihre charakteristischen Fingerabdrücke

Moleküle und chemische Verbindungen von Gasen unterscheiden sich in ihrer atomaren Zusammensetzung, z. B. variiert die Anzahl von Sauerstoffatomen in Kohlenstoffmonoxid CO und Kohlenstoffdioxid CO2. Dadurch besitzen Moleküle und chemische Verbindungen von Gasen unterschiedlichste charakteristische Fingerabdrücke, was moderne Analysemethoden für deren Nachweis ausnutzen. Massenspektrum-Analysatoren beispielsweise ermitteln die Masse der Gase und Moleküle und chemische Analysemethoden nutzen chemische Reaktionen der nachzuweisenden Gase aus. Da Moleküle bzw. chemische Verbindung zudem eine charakteristische „Farbe“ besitzen, können auch lichtbasierte Analysemethoden verwendet werden. Dabei wird ausgenutzt, dass Licht einer bestimmten „Farbe“ (bzw. Wellenlänge) von Molekülen absorbiert wird, diese zu Schwingungen anregt werden und damit das Licht absorbieren. Die gewählte „Farbe“ (bzw. Wellenlänge) selektiert dabei unterschiedliche Moleküle und der Absorptionsgrad quantifiziert deren Menge. Von aktuell außerordentlich hoher gesellschaftlicher Relevanz ist dabei die Überwachung und Reduktion von Stickoxiden (NOx) sowie Ammoniak, um sowohl die Gesundheit der Bevölkerung als auch die Umwelt zu schützen. Die charakteristische „Farbe“ (bzw. Wellenlänge) vieler relevanter Moleküle und Gase liegt im mittleren Infrarotbereich mit Lichtwellenlängen im Bereich zwischen ca. 2 und 7 µm, was enorme Anforderungen an die Lichtquellen und Lichtdetektoren stellt.

Seriell aufgebaute Infrarotsensoren

Im Projekt HISens haben sich die nanoplus Nanosystems and Technologies GmbH und die Universität Würzburg mit dem Endanwender Endress+Hauser zusammengeschlossen, um hochsensitive Infrarotsensoren für den mittleren Infrarotbereich zu konzipieren und zu erforschen. Innerhalb der letzten Jahre wurden im Bereich der optischen Gas-Sensorik enorme Fortschritte im Bereich der Lichtquellen durch sogenannte Interbandkaskadenlasern (ICL) erzielt. Dem gegenüber stehen allerdings nur vergleichsweise geringe technologische Fortschritte im Bereich geeigneter Detektoren, die im entsprechenden Gesamtsystem der optischen (Gas-)Sensorik aktuell das limitierende Element darstellen.

Die Gründe hierfür liegen sowohl in den technologischen und physikalischen Limitierungen der verwendeten Materialien als auch in zunehmend strenger werdenden umweltschutzrechtlichen Anforderungen begründet. So sind gebräuchliche Detektoren aus Quecksilber-Verbindungen beispielsweise aufgrund des wenig verbreiteten Materialsystems sehr teuer. Aus diesen Gründen entsteht aktuell eine ständig wachsende Nachfrage nach neuen, besseren Detektortechnologien, welche gängigen Umweltstandards genügen.

Im Rahmen des Projektes HISens werden sehr lichtsensitive Interbandkaskadendetektoren (ICDs) mit kurzen Ansprechzeiten erarbeitet, welche bei lichtbasierten Gas- und Molekülanalysemethoden zum Einsatz kommen werden. Diese Detektoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie seriell aus einzelnen lichtabsorbierenden Kaskaden aufgebaut sind. Die Praxistauglichkeit der Detektoren wird unter realen Anwenderbedingungen bei dem im Projekt vertrete-nen assoziierten Partner und Messtechnikspezialisten Endress+Hauser validiert.

Ansprechpartner

Dipl.-Phys.Gerhard Funke
+49 211 6214-627

Projektdetails

Koordinator

Dr.Johannes Koeth
nanoplus Nanosystems and Technologies GmbH
Oberer Kirschberg 4, 97218Gerbrunn
+49 931 90 827 0

Projektvolumen

1.030.529 € (Förderquote 57 %)

Projektdauer

01.02.2020 - 31.01.2023

Projektpartner

nanoplus Nanosystems and Technologies GmbHGerbrunn
Julius-Maximilians-Universität Würzburg - Fakultät für Physik und Astronomie - Physikalisches Institut - Technische PhysikWürzburg
Endress+Hauser Process Solutions (DE) GmbH (assoziierter Partner)Freiburg