Sensible Spürnasen im Nanometerformat

15. Februar 2003, 14:52
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Forscher entwickeln Bauteile zum Nachweis geringster Schadstoffkonzentrationen

Auswirkungen von Kohlendioxid, Stickoxiden oder Ozon auf die Atmosphäre sind enorm, die präzise Messung dieser Schadstoffe gestaltet sich jedoch oft schwierig. Kein Wunder, sind die Moleküle im Verhältnis zu einem Fußball doch etwa so groß wie dieser im Vergleich zur Erdkugel. Wolfgang Heiss vom Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der Universität Linz arbeitet in einem vom Wissenschaftsfonds geförderten Projekt an der Entwicklung von optischen Spektrometern, mit deren Hilfe sogar einzelne Moleküle nachgewiesen werden können.

Optische Spektrometer bestehen aus einer Lichtquelle, einer Probenkammer und einem Detektor, in dem das Absorptionsmuster der Gasmoleküle, quasi ihr optischer Fingerabdruck, gemessen wird. Auf Spurensuche gehen die Linzer Physiker dabei im mittleren Infrarotbereich, also bei Wellenlängen zwischen drei und dreißig Mikrometern, da hier die meisten Luftschadstoffe ein sehr charakteristisches Muster zeigen. Das große Manko der bisher dafür eingesetzten Halbleiterlaser aus Bleisalzen besteht darin, dass sie für genaue Messungen mit enormem Aufwand gekühlt und temperaturstabilisiert werden müssen. Heiss und sein Team haben es sich daher zum Ziel gesetzt, mit neuen Technologien und Materialien mikroskopisch kleine Bleisalzlaser zu entwickeln, die auch bei Raumtemperatur funktionieren.

Lichtquelle aus Bleisalzmaterial

"Unsere Lichtquelle besteht aus einem laseraktiven Bleisalzmaterial, das zwischen zwei aus mehreren Schichten bestehenden Interferenzspiegeln eingebettet ist", erläutert Heiss. Diese Laserspiegel verstärken und bündeln das Licht und wirken so als optische Resonatoren - sie haben ein hohes Reflexionsvermögen, arbeiten bereits bei Raumtemperatur und benötigen keine hoch präzise Elektronik zur Temperaturstabilisierung.

Parallel dazu arbeitet man aber auch noch an alternativen Lichtquellen für die Minispektrometer und glaubt sie in chemisch hergestellten Bleisalz-Nanokristallen auch schon gefunden zu haben. "Als wir unser Projekt eingereicht haben, gab es solche Nanokristalle noch gar nicht", berichtet Heiss, "mittlerweile sind sie der große Renner bei internationalen Halbleiterkonferenzen." Nur fünf Nanometer (Millionstel Millimeter) groß, verfügen diese Winzlinge über erstaunliche Eigenschaften: Sie leuchten auch bei Raumtemperatur stark und haben eine noch höhere Effizienz als Laser. Darüber hinaus sind sie einfacher und kostengünstiger herzustellen und lassen sich auch leichter verarbeiten.

Am Institut wird daher derzeit intensiv daran gearbeitet, eine dünne Schicht aus Nanokristallen als Ersatz für die Laserschicht zwischen die Spiegel einzubauen, um einen hoch effizienten gerichteten Lichtstrahl zu erzeugen.

Auflösung auf Maximum geschraubt

Die Linzer Physiker haben sich vorgenommen, das gesamte Spektrometersystem, also Lichtquelle, Probenkammer und Detektor, auf einem einzigen Chip zu integrieren und die Auflösung auf das Maximum zu schrauben: "Wir wollen so weit kommen, dass wir sagen können: Jetzt wandert gerade ein einzelnes Kohlendioxidmolekül durch die Probenkammer", definiert Heiss das ehrgeizige Ziel.

Das Minispektrometer der Zukunft muss dafür 150 mal 150 Nanometer klein sein und die Messung innerhalb von einer Nanosekunde durchführen. Erste Laborversuche stimmen die Forscher zuversichtlich, dass diese Meisterleistung der Miniaturisierung auch gelingen wird - dann können auch Systeme für die praktische Anwendung entwickelt werden, die kleiner und kostengünstiger sind als die bisherigen Messsysteme.

Hoch präzise Messung von Luftschadstoffen ist ebenso denkbar wie ein Einsatz in der Medizin: So können die Nanospürnasen geringste Spuren bestimmter Gasbestandteile in der Atemluft entdecken und damit wichtige Hinweise auf Krankheitsanzeichen, Therapieeffekte oder die Präsenz von schädlichen Darmbakterien geben. (Angelika Prohammer/DER STANDARD, Printausgabe, 15.2.2003)

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