Diamant revolutioniert die Optomechanik

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Zwei parallele freistehende Wellenleiter aus polykristallinem Diamant dienen als mechanische Resonatoren. In ihnen breiten sich elektromagnetische Wellen aus.

Diamant hat besondere physikalische Eigenschaften: aufgrund der hohen Bindungsenergie der Kohlenstoffatome besitzt er eine hohe Bandlücke, ist sowohl mechanisch als auch chemisch sehr stabil und hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Die geringe Absorption im sichtbaren Bereich des optischen Spektrums ermöglicht eine hohe Transmission von Photonen auch durch dicke Schichten. Daher ist er gut für optomechanische Anwendungen geeignet.

Eine Forschergruppe hat die besonderen Eigenschaften von Diamant für die Entwicklung eines optischen Schaltkreises genutzt. Dabei ist es ihnen erstmals gelungen, polykristallinen Diamant einzusetzen. Bislang wurde für optische Schaltkreise nur einkristalliner Diamant verwendet, der aufgrund seines hohen Reinheitsgrads aufwändig in der Herstellung und anspruchsvoll in der Verarbeitung ist. Polykristalliner Diamant setzt sich dagegen aus einer Vielzahl kleiner Diamantkristalle zusammen, wodurch er einfacher großflächig herzustellen und industriell zu verarbeiten ist. »Wir haben die Abscheidung von künstlichem Diamant so optimiert, dass wir Standard-Technologieprozesse einsetzen können. Dadurch wird die Prozessierung vereinfacht und die Produktionskosten sinken – neue Anwendungen sind möglich«, erklärt Dr. Christoph Nebel vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg. Zusammen mit der Firma Diamond Materials GmbH in Freiburg werden am Fraunhofer IAF nano- und polykristalline CVD-Diamantschichten hoher Qualität hergestellt, auf deren Basis Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie KIT den optomechanischen Schaltkreis entwickeln konnten.

Neue Sensortechnologien dank Diamant

Die Optomechanik verbindet die integrierte Optik mit mechanischen Elementen. Die Forscher haben für ihren Schaltkreis nanomechanische Diamant-Resonatoren eingesetzt, die durch hohe Güte und hohe Sensitivität überzeugen. Damit könnten zukünftig komplett optisch gesteuerte Sensor-Plattformen umgesetzt werden. Die Verwendung von Diamant hat es ermöglicht, »alle Komponenten eines einsatzbereiten optomechanischen Schaltkreises sozusagen aus einem Guss zu realisieren«, meint Wolfram Pernice vom KIT. Die integrierte Optik funktioniert ähnlich wie integrierte Schaltkreise. Optische Schaltkreise geben Information über Photonen weiter, in elektronischen Schaltkreisen geschieht dies über Elektronen. Ziel der integrierten Optik ist es, alle zum Aufbau eines optischen Kommunikationsprozesses erforderlichen Komponenten in einem integrierten optischen Schaltkreis unterzubringen.

Doch Diamant bietet nicht nur für optische Schaltkreise eine ideale Materialgrundlage. Durch gezielten Einbau photonischer Zentren lassen sich »Einzelphotonen-Emitter« herstellen, die als Lichtquelle für die photonischen Strukturen dienen. Andere Anwendungen liegen im Bereich von elektrochemischen Sensoren, mit Hilfe derer die Qualität von Wasser und Lebensmitteln überprüft werden kann oder auch in bioanalytischen Systemen zur Früherkennung von Krebskrankheiten.

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