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Verborgene Strukturen präzise aufdecken

Der „Nacktscanner“ am Flughafen machte sie weithin bekannt: Die Terahertz-Strahlen. Dabei gibt es weitaus interessantere Einsatzgebiete. Ein Interview mit CTR Forscher Raimund Leitner führt auch in die Photovoltaik.

<i>Dr. Raimund Leitner organisiert vom 9.-10. September 2013 die Terahertz Conference in Villach.</i>

Was genau versteht man unter der Terahertzstrahlung (THz) und wo liegen die Vorteile der THz-Strahlung für die Photovoltaikindustrie?

Leitner: Die THz-Wellenlänge liegt in einem Grenzbereich zwischen Optik und Hochfrequenzelektronik. Die meisten nicht leitenden Materialien absorbieren THz-Strahlung nur mäßig und lassen Messungen in unterschiedlichen Schichttiefen und somit tomografische Analysen zu. Gleichzeitig sind die Strahlen nicht ionisierend, also für Lebewesen unbedenklich und nicht gesundheitsschädlich. Im Vergleich zu bisherigen optischen Prüfverfahren in der Photovoltaik wie Thermografie, Elektro- und Photoluminiszenz können die THz-Strahlen mehr Details ans Licht bringen. Verborgene Strukturen, wie etwa Schichtaufbau und -dicke oder über die THz-Spektroskopie die Inhomogenität verschiedener Materialien, werden erkannt. Aufwändigere Verfahren wie die Messung der Photoleitfähigkeit mittels Mikrowellen dauern entweder sehr lange oder haben eine sehr begrenzte Ortsauflösung. Der THz-Bereich ist für Photovoltaikmaterialien deshalb interessant, da eine gute Materialcharakterisierung mit einer guten Ortsauflösung kombiniert werden kann. Die Energie der Gitterschwingungen der meisten Halbleiter liegt im THz-Bereich, weshalb sich die THz-Spektroskopie ideal zur Prüfung von Kristall- oder Dotierungsfehlern oder zur Analyse der Ladungsträgerdynamik eignet. Sie ermöglichen eine neue, bisher noch nicht erreichte Qualität des Defect-Engineering und können die Prozesssteuerung bereits am Anfang der Wertschöpfungskette verbessern.

Wo sehen Sie weitere mögliche Einsatzgebiete der THz-Strahlung?

Leitner: Überall wo es um die Gesundheit oder die Produktsicherheit geht, wo eine zerstörungsfreie, präzise, aber energiearme Prüfung oder Prozesskontrolle erforderlich ist, besitzt die THz-Technologie Alleinstellungsmerkmale gegenüber anderen Technologien. In der Pharmaindustrie beispielsweise kann THz zur Analyse der Wirkstoffverteilung in Medikamenten oder zur Erkennung von Medikamentenfälschungen einsetzt werden. Bei Lebensmitteln können sie die Detektion von unerwünschten Einschlüssen wie Fremdkörpern oder Fremdstoffen unterstützen. Bei Kunststoffen kann die THz-Technologie präzise Messungen des Schichtaufbaus von Verbundmaterialien ermöglichen oder komplexe Kunststoffkombinationen aufdecken. Hinsichtlich der Änderungen der Verordnungen betreffend die Recyclingquoten von Automobilkomponenten wird dies auch bei der Trennung von kohlefaser- oder kunststoffbasierten Formteilen von Nutzen sein.

Bis wann rechnen Sie mit industrietauglichen Produkten?

Leitner: Bekannt wurden die THz-Strahlen durch den Einsatz in Körperscannern zur Sicherheitskontrolle am Flughafen. Die ersten Geräte verwendeten ein aktives Messprinzip. Neuere, empfindlichere Geräte arbeiten passiv und scannen die natürliche THz-Strahlung, die jeder Mensch abgibt. Bei unseren Forschungen wird ein Femtosekundenlaser zur Erzeugung der THz-Strahlung verwendet. Das macht die Technologie noch relativ teuer, allerdings existieren bereits industrietaugliche Messansätze, die günstige und schnelle Lösungen anbieten. In den nächsten zwei bis drei Jahren werden immer mehr Anwendungen erschlossen werden. Die Photovoltaik gehört hier sicher dazu, aber auch die Halbleiterindustrie, die Medizintechnik, Lebensmittel- oder Kunststoffindustrie. Es gibt kaum Einschränkungen der möglichen Einsatzorte. Entscheidend für die „time to market“ dieser Technologie sind sicher die Kosten wie auch die Investitionsbereitschaft der Industrie.

INFO: Terahertzstrahlung (THz-strahlung)

Trotz ihres enormen Anwendungspotenzials führten die Terahertz (THz) Strahlen (engl. T-rays) lange Zeit ein Schattendasein. Physiker und Ingenieure betitelten diesen Bereich, der zwischen der Mikrowellen und der Infrarot-Strahlung liegt, lange Zeit als THz-Lücke, da es schwierig war diese Strahlen zu erzeugen. Seit einigen Jahren arbeiten Forscher verstärkt an neuen Technologien, mit denen sich THz-Wellen ökonomisch erzeugen und nachweisen lassen und somit neue Anwendungsfelder eröffnen. Mit ihrer Frequenz von einer Billion Hertz pro Sekunde, oder einem „Terahertz“, sind die Wellen zwischen 30 Mikrometer und 3 Millimeter lang. Entsprechend kleine Details sind in ihrem Licht noch zu erkennen. Die THz-Strahlung durchdringt Papier, Kunststoffe, Textilien oder Lebensmittel, ohne die Zusammensetzung der durchstrahlten Materie zu verändern. Anders als Röntgenstrahlen sind THz-Strahlen nicht ionisierend. Das bedeutet, dass ihre Energie nicht ausreicht, um die chemische Struktur zu verändern, und somit die Zellen des Körpers zu schädigen. Bei der THz-Analyse wird das zu durchleuchtende Objekt mit THz-Wellen bestrahlt. Jedes Material absorbiert einen charakteristischen Anteil der Strahlung und reflektiert die verbleibenden Anteile - immer in Abhängigkeit von der chemischen Struktur. Ein Strahlungsmessgerät gibt die gewonnenen Daten an einen Computer weiter, der daraus ein Rasterbild berechnet. Doch die THz-Strahlen können mehr: So lassen sich etwa Medikamente durch die Schachtel hindurch prüfen, verdorbene Lebensmittel durch die Verpackung erkennen, unerwünschte Einschlüsse detektieren, die Reinheit chemischer Substanzen analysieren, der Text im Inneren eines geschlossenen Briefes entschlüsseln oder verborgene Karies im Zahn aufspüren. Die THz-Strahlen haben großes Potenzial, denn sie eröffnen ein neues Feld der präzisen, zerstörungsfreien und energiearmen Materialprüfung.

International Terahertz Conference 2013

Weitere Bilder

<i>Terahertzwellen können zerstörungsfrei den Zustand von Mauerwerk, die Anordnung von Waren in der Verpackung oder die Qualität von Klebeverbindungen überprüfen.</i>

<i>Das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Teil des sogenannten elektromagnetischen Spektrums.</i>

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