Optische Bauelemente/MOEMS

Kohlenstoffnanoröhren als Schwarzschichtabsorber/-emitter für IR-Anwendungen

© Fraunhofer ENAS
CNT-Absorptionsschichten integriert in eine IR-Emitterstruktur.
© Fraunhofer ENAS
Absorptionsverhalten von CNT-Absorptionsschichten.

Eine wichtige Voraussetzung für mikrooptische Infrarot-(IR-)Sensoren der nächsten Generation sind optische Absorptionsschichten, welche hohen technologischen und materiellen Anforderungen gerecht werden. Momentan verfügbare Lösungen für Absorptionsschichten wie Schwarzschichten, gefüllte Polymere oder λ/4-Schichten haben Defizite bei wichtigen Eigenschaften wie Absorptionsgrad, Spektralverhalten, Wärmekapazität, mechanische Stabilität und Technologiekompatibilität. Eine vielversprechende Alternative sind direkt integrierte Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes, CNTs) als Absorptionsschicht. Diese haben ein wellenlängenunabhängiges Absorptionsverhalten sowie gute thermische und mechanische Eigenschaften.
Das Ziel im Projekt Leistungszentrum »Funktionsintegration für die Mikro-/Nanoelektronik« war die Entwicklung einer skalierbaren Integration von CNTs für optische Absorber, welche in IR-Sensoren bzw. -Emittern eingesetzt werden sollen. Dafür wurde ein CVD-Prozess (CVD – Chemical Vapour Deposition, Chemische Gasphasenabscheidung) entwickelt, welcher ein strukturiertes Wachstum der CNTs bei Temperaturen unter 500 °C erlaubt und in eine MOEMS-Technologie implementiert werden kann. Die Hauptmerkmale der hier vorgestellten CNT-basierten MOEMS sind im Folgenden aufgelistet:

Hohe, breitbandige Absorptionswerte über 95 % für λ = 2 … 12 µm und über 90 % λ = 2 … 20 µm
Temperaturstabilität bis 500 °C in N2-Atmosphäre
Gute Kompatibilität von IR-Absorbern und IR-Emittern mit MEMS-, MOEMS- und CMOS-Technologien

Mögliche Anwendungsgebiete sind Antireflektionsschichten, Absorptionsschichten für thermische IR-Sensoren (z. B. Thermosäulen und Pyrometer für die Gasdetektion bzw. Thermographie) sowie Schwarzschichten für IR-Emitter, welche für die Gasdetektion bei Raumüberwachung, Medizin- und Sicherheitstechnik eingesetzt werden.