Eine Hybridisierung von Silizium-Bauteilen mit Kohlenstoffnanoröhren
Silizium ist bei einer Reihe von Anwendungen im Bereich der Photonik wie unter anderem der Datenkommunikation und der Sensorik zum Material der Wahl geworden. Infolgedessen gibt es heute zahlreiche photonische Bauteile, mit denen es möglich ist, Licht im Silizium-Chip-Maßstab zu emittieren, zu propagieren, zu modulieren und zu erkennen. Doch trotz dieser Fortschritte besteht nach wie vor die Herausforderung, alle photonischen Bausteine in einen gemeinsamen Schaltkreis zu integrieren. Der Grund hierfür ist, dass eine Reihe unterschiedlicher Materialien in Silizium integriert werden muss. Auch wenn dies technisch möglich ist, gestaltet sich der Prozess nicht kosteneffektiv, sodass die Anwendbarkeit der Silizium-Photonik für ein breites Anwendungsspektrum Beschränkungen unterliegt. Das EU-finanzierte Projekt CARTOON überwand diese Herausforderung über die Entwicklung einer neuen Strategie für die Hybridisierung siliziumbasierter Bauteile, bei denen Kohlenstoffnanoröhren (CNT) als integrierte Lichtquelle, Modulator und Detektor im infrarotnahen Wellenlängenbereich verwendet werden. „Wir haben uns letztlich für halbleitende einwandige Kohlenstoffnanoröhren (semiconducting Single Wall Carbon Nanotubes, s-SWNT) entschieden, da es sich hierbei um ein sehr vielseitiges Material handelt, das ebenfalls sehr gute elektrische und optische Eigenschaften bietet“, sagt Projektkoordinator Laurent Vivien. Laut Vivien bieten s-SWNT zahlreiche Vorteile. Sie zeigen beispielsweise starke Emissionen bei Raumtemperatur im infrarotnahen Wellenlängenbereich und eine starke thermische Photostabilität. Über die Auswahl eines präzisen Nanoröhrendurchmessers und der Chiralität lassen sich Emissionen für Wellenlängen von 1m bis 1,6m ohne Weiteres kontrollieren. Diese Parameter können integriert werden, um Dioden und Feldeffekttransistoren herzustellen, welche die Möglichkeit für die Verwendung elektrischen Pumpens für Lumineszenz- und Photodetektoren eröffnen. Die elektronischen Übergänge über prognostizierte Stark- und Kerr-Effekte können außerdem genutzt werden, um Modulationseffekte zu gewinnen. „Aus all diesen Gründen sind Kohlenstoffnanoröhren ein sehr guter Kandidat zur Lösung von Integrationsproblemen im Bereich der Silizium-Photonik, der zu einer kosteneffektiven und zuverlässigen Photonik führt“, sagt Vivien. Immenses Potenzial Da eine Reihe von Durchbrüchen erzielt wurden, die den Weg für die Entwicklung von GNT-Photonik-Bauteilen der nächsten Generation geebnet haben, weist das CARTOON-Projekt ein immenses Potenzial auf. Es wurden beispielsweise neue Strategien entwickelt, um reine, halbleitende Kohlenstoffnanoröhren für die Anwendung in der Photonik zu schaffen. Darüber hinaus wurde abgesehen von dem ersten anhaltenden Effekt, der auf einer Hybridintegration von Kohlenstoffnanoröhren in Silizium-Photonik-Bauteile basierte, die erste erfolgreiche Demonstration eines negativen lichtbrechenden nichtlinearen Effekts in einer Kohlenstoffnanoröhre durchgeführt, die in einen Siliziumnitrid-Wellenleiter integriert worden war. Ferner wurde im Rahmen des Projekts eine hybride, vollständig integrierte Silizium-Photonik-Plattform für Nanomaterialien erstellt und in Bezug auf Nanoröhren optimiert. „Über das Projekt wurde ein neues Konzept für die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren bezüglich Silizium-Photonik-Anwendungen eingeführt“, sagt Vivien. „Es handelt sich um ein äußerst vielversprechendes Material, das zur Entwicklung optoelektronischer Bauteile verwendet werden könnte und wir sind zuversichtlich, dass Kohlenstoffnanoröhren die Integration von Photonik- und Elektronikbauteilen vereinfachen werden. Da Kohlenstoffnanoröhren Quantenemitter sind, kann unsere Strategie auch angewandt werden, um die Silizium-Photonik im Bereich der integrierten Quantenkommunikation voranzubringen.“ Die Ökonomisierung am Horizont Im Jahr 2015 wurde von einem Projektforscher ein neues Unternehmen namens ProNT GmbH gegründet. Dieses zielt mithilfe von verschiedenen Ansätzen, die im Rahmen des CARTOON-Projekts entwickelt worden waren, auf die Kommerzialisierung der Technologie für die direkte Synthese halbleitender einwandiger Kohlenstoffnanoröhren (s-SWNTs) ab. Bei Erfolg bietet sich industriellen Kunden mit s-SWNTs die Möglichkeit für eine Integration in SWNT-basierte Photonik- und Elektronikbauteile, einschließlich von Sensoren. Die Forscher des CARTOON-Projekts planen ausgehend von ihren jüngsten Erkenntnissen über optoelektronische Bauteile überdies den Start eines neuen Projekts. Im Fokus dieser neuen Forschung wird die Demonstration eines CNT-basierten Silizium-Photonik-Schaltkreises für die Verwendung mit optischen Verbindungen, Quanteninformationen und Sensoren der nächsten Generation stehen.
Schlüsselbegriffe
CARTOON, Silizium-Photonik, Kohlenstoffnanoröhren, photonische Bauteile, Elektrogeräte
