Graphen-basierter Infrarot-Strahler für photonische Gassensoren

Forschern der AMO GmbH, RWTH Aachen University, KTH Royal Institute of Technology,  Senseair AB und der Universität der Bundeswehr ist es gelungen, einen wellenleiterintegrierten Infrarot-Strahler mit Graphen als aktivem Material zu entwickeln. Dieser innovative Ansatz verbessert die Effizienz, Kompaktheit und Zuverlässigkeit von Gassensorsystemen erheblich und ebnet den Weg für eine breite Anwendung in verschiedenen Industrien.

Anwendungen wie die Detektion von Gaslecks, industrielle Prozesssteuerung, Umweltüberwachung und medizinische Diagnostik erfordern robuste Lösungen für die Echtzeitüberwachung der Luftqualität, wodurch die Nachfrage nach verteilten, vernetzten und kompakten Gassensoren steigt. Herkömmliche Gassensoren, wie katalytische Partikel- und halbleitende Metalloxidsensoren, leiden unter Leistungseinbußen, häufigen Kalibrierungen und begrenzter Lebensdauer, da sie auf chemischen Reaktionen basieren.

Die Absorptionsspektroskopie bietet eine vielversprechende Alternative, indem sie die grundlegenden Absorptionslinien verschiedener Gase im mittleren Infrarotbereich (mid-IR), einschließlich der Treibhausgase, nutzt. Diese Methode bietet hohe Spezifität, minimale Drift und Langzeitstabilität, ohne den Sensor chemisch zu verändern. Die Fähigkeit, Gase durch charakteristische Absorptionswellenlängen zu erkennen, wie z. B. Kohlendioxid (CO2) bei 4,2 μm, macht sie zu einer idealen Technologie für die präzise Gasdetektion.

Photonische integrierte Schaltkreise (PICs) stellen einen bedeutenden Fortschritt bei der Miniaturisierung spektroskopischer Geräte auf Chipgröße dar, was zu sehr kompakten und kostengünstigen optischen Gassensorsystemen führt. Die Integration von Lichtquelle und Detektor direkt auf Wafer-Ebene stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Die Überwindung dieser Hürde könnte die Größe und Kosten der Sensoren weiter reduzieren, ihre mechanische Stabilität erhöhen und ihre Leistung verbessern.

Graphen hat sich als hervorragender Kandidat für Mid-IR-Emitter erwiesen, da es die für die thermische Emission erforderlichen Temperaturen erreichen kann und ein günstiges Emissionsvermögen besitzt. Seine einlagige Struktur ermöglicht eine ideale Nahfeldkopplung, ohne die wellengeführte Mode wesentlich zu verzerren, und eignet sich daher perfekt für die Integration in photonische Silizium-Wellenleiter.

In dieser Studie ist es Nour Negm und seinen Mitarbeitern gelungen, Graphen-Emitter direkt in Silizium-Photonen-Wellenleiter zu integrieren und damit eine direkte Einkopplung in die Wellenleitermode zu ermöglichen. Mit diesem Aufbau konnten Emissionen im Spektralbereich von 3 bis 5 μm nachgewiesen werden, was das Potenzial von Graphen-basierten Emittern für die Überwachung der Luftqualität demonstriert.

Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung effizienter, kompakter und zuverlässiger Gassensorsysteme. Die Arbeit wurde im Rahmen der EU-Projekte Ulisses und Aeolus durchgeführt, deren Ziel es ist, verbesserte Möglichkeiten für die Echtzeitüberwachung der Luftqualität in verschiedenen Anwendungen in städtischen Gebieten zu entwickeln.

Bibliographische Informationen
Graphene Thermal Infrared Emitters Integrated into Silicon Photonic Waveguides
N. Negm, S. Zayouna, S. Parhizkar, P. -S. Lin, P. -H. Huang, S. Suckow, S. Schroeder, E. De Luca, F. Ottonello Briano, A. Quellmalz, G.  S. Duesberg, F. Niklaus, K. B. Gylfason, Max C. Lemme

ACS Photonics (2024).