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. Physikern 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.“

BU: Festkörperphysiker Prof. Dr. Carsten Ronning (l.) und Maximilian Zapf von der Universität Jena. Foto: Anne Günther (Universität Jena)Prof. Dr. Carsten Ronning (l.) , Lehrstuhl für experimentelle Physik/Festkörperphysik mit Maxemilian Zapf (r.) an der Photolumineszenz-Apperatur, Friedrich-Schiller-Universität Jena, aufgenommen am 04.03.2020. Foto: Anne Günther/FSU

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.“

Original-Publikation:

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.nature.com/articles/s41467-020-18384-x

Info, FSU JENA

19.09.2020