Materialen zur Ultra-breitband Terahertz Erkennung

• Antragsteller: Dmytro Kamenskyi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497756533

Elektromagnetische Strahlung im Terahertz-Spektralbereich (0,3 - 3 THz, 1,2 - 12 meV) kann Schwingungs-, Translations-, Rotations- und Torsionsmoden von Molekülen und Zonenzentrumsphononen in Kristallen anregen. Darüber hinaus kann es mit niederenergetischen Orbitalanregungen von Übergangsmetallen (d und f) und mit Spin-Wellenanregungen von magnetisch geordneten Materialien resonant sein. Somit ist die THz-Spektroskopie ein perfektes Werkzeug zur Identifizierung, Abbildung und Untersuchung einer Vielzahl von Materialien. Jüngste technologische Fortschritte beweisen, dass die THz-Spektroskopie ein hervorragendes Potenzial, auch über die wissenschaftliche Forschung hinaus, besitzt: in medizinischen, industriellen und Sicherheitsanwendungen. Es sind jedoch weitere Anstrengungen erforderlich, um es auf ein Niveau der routinemäßigen Anwendung zu bringen.Ein wesentliches Hindernis für den breiten Einsatz der THz-Spektroskopie ist das Fehlen geeigneter optischer Komponenten in diesem Frequenzbereich (sog. „Terahertz-Lücke“). In den letzten Jahrzehnten haben enorme Anstrengungen in der Entwicklung von THz-Strahlungsquellen (einschließlich Großanlagen) zu einer Vielzahl von THz-Strahlungsquellen, insbesondere gepulsten Hochleistungsquellen, geführt. Diese Kurzpuls-THz-Quellen erfordern schnelle Breitbanddetektoren. Allerdings mangelt es den Detektionstechnologien an relativ langsamen oder/und schmalbandigen Detektoren, was das wissenschaftliche und anwendungsorientierte Potenzial des gesamten Gebiets einschränkt.Dieses Projekt zielt darauf ab, stark dotierte Germanium-Einkristalle (Ge) zu untersuchen, ein vielversprechendes Material für die hochempfindliche Breitband-Strahlungsdetektion im Nanosekundenbereich innerhalb und außerhalb von THz-Frequenzen. Mit Hilfe verschiedener experimenteller Methoden decken wir die Trägerdynamik im THz-Bereich auf, die seit vielen Jahrzehnten das heiße Thema der Festkörperphysik bleibt.Dieses Projekt konzentriert sich auf die Untersuchung von Ge, das mit oberflächennahen Verunreinigungen (Gallium, Antimon) dotiert ist. Im Gegensatz zur bisherigen THz-Forschung in Ge konzentrieren wir uns auf den Übergang zwischen den Subbändern schwerer und leichter Löcher des Valenzbandes, um einen Weg zur Verbesserung der Reaktion der freien Ladungsträger zwischen 1 und 2 THz zu finden. Wir suchen nach einer optimalen Kombination aus Verunreinigungen und externen Reizen, wobei wir die extrinsische Leitfähigkeit berücksichtigen, die für eine erfolgreiche Leistung oberhalb von 2 THz hoch genug bleiben soll. Umfangreiche experimentelle Untersuchungen durch Magnetotransport, Hal-Effekt, Photoleitfähigkeit, Zyklotronresonanz, Ferninfrarot- und Raman-Spektroskopie werden durch modernste Experimente an den Großforschungsanlagen FELIX und HFML ergänzt: eine einzigartige Kombination aus Untersuchungen am Freie-Elektronen-Laser und Hochmagnetfeld-Labor an der Radboud University (Nijmegen, Niederlande).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen