Empa-Forscher vereinfachen Infrarot-Kameras zu einem Chip

Mit Infrarot-Kameras kann man im Dunkeln sehen, in Obst hineinblicken oder Fremdkörper in der Bohnensuppe aufspüren. Aber das hat seinen Preis. Empa-Forschern ist es nun gelungen, Aufnahme und Wiedergabe von kurzwelligem Infrarotlicht (SWIR) in einem Chip zu vereinen.

Zusammen mit Kollegen von der ETH Lausanne, Zürich und der Universität Siena hat Roland Hany einen SWIR-Bildschirm entwickelt. Dieser besteht aus acht dünnen Schichten auf einer Glasoberfläche. «Dies könnte IR-Kameras zu nützlichen Alltagsgegenständen machen», teilten er und sein Team am Dienstag mit.

Allein mithilfe von Sternenlicht könnte man nachts recht scharf sehen. Mechaniker könnten die Hitze einer Lötspitze auf einen Blick erkennen. Und Obsthändler könnten beschädigte Produkte erkennen, noch bevor der Verrottungsprozess beginnt.

Aber weil Farbstoffe niederenergetisches Licht nicht in energiereiches umwandeln können, benötigen IR-Kameras eine ausgeklügelte Elektronik. Dazu einen elektronischen Verstärker und schliesslich einen Bildschirm, um das künstlich erzeugte Bild anzuzeigen. Die heutigen Standard-SWIR-Kameras für den industriellen Einsatz kosten gemäss Empa rund 7000 Franken.

Das von den Wissenschaftlern um Hany entwickelte Gerät besteht aus einem einzigen, achtschichtigen Bauteil. Im Grunde ein OLED-Display (Bildschirm mit organischen Leuchtdioden) mit drei zusätzlichen Schichten.

IR-Licht fällt durch eine elektrisch leitfähige Glasscheibe auf eine Farbstoffschicht in einem Photodetektor. Darin beginnen Elektronen zu wandern, wobei ihre Bewegung durch eine elektrische Spannung verstärkt wird. Die elektrischen Ladungen wandern dann in die OLED-Schicht und erzeugen dort einen grünen Lichtfleck.

Eine elektronische Signalverarbeitung durch einen Computer ist nicht erforderlich: Das einfallende (unsichtbare) SWIR-Licht wird sozusagen «analog» verstärkt und direkt auf dem Bildschirm angezeigt. Die Farbe des emittierten sichtbaren Lichts kann durch Auswahl des Farbstoffs in der OLED eingestellt werden.

Möglich machen das spezielle Farbstoffe, die Hany und seine Kollegen schon seit längerem untersuchen, sogenannte Squaraines. Der Name leitet sich von der Grundstruktur des chemischen Moleküls Quadratsäure ab. Diese Farbstoffklasse zeichnet sich durch satte Farben und eine hohe Temperaturbeständigkeit aus. Die Forscher haben die Quadratsäure chemisch so modifiziert, dass sie im Bereich von SWIR-Licht absorbiert.