DE102017209466A1

DE102017209466A1 - Filterelement für einen spektralen Sensor und Verfahren zum Herstellen eines Filterelements für einen spektralen Sensor

Info

Publication number: DE102017209466A1
Application number: DE102017209466.4A
Authority: DE
Inventors: Marc Schmid; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Filterelement (102) für ein Spektraler Sensor (100). Das Filterelement (102) umfasst zumindest eine Filterschicht (104) aus einem zweidimensionalen Material, wobei die Filterschicht (104) zumindest eine Gitterstruktur (112) zum Absorbieren elektromagnetischer Strahlung in einem Absorptionswellenlängenbereich (113) aufweist. Des Weiteren umfasst die Filterschicht (104) eine erste Elektrode (106) und eine zweite Elektrode (108), wobei die Filterschicht (104) zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Elektrode (106) und der zweiten Elektrode (108) angeordnet ist. Der Absorptionswellenlängenbereich (113) ist durch Anlegen einer Spannung (V1, V2, V3) zwischen der ersten Elektrode (106) und der zweiten Elektrode (108) abhängig von der Spannung (V1, V2, V3) verschiebbar.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
In der EP 3015832 A1 ist ein Flüssigkristall-Fouriertransform-Spektrometer beschrieben. Dieses umfasst durchstimmbare Flüssigkristallfilter. Des Weiteren umfasst das Spektrometer Elektroden aus Graphen. Die Elektroden sind dazu eingerichtet, ein elektrisches Feld an die Flüssigkristallzellen anzulegen, um eine optische Verzögerung einzustellen.
In der US 8530885 B1 ist ein elektrooptisches Filtersystem beschrieben, das photonische Kristallelemente mit Graphenschichten umfasst. Die Orientierung der Graphenschichten wird so gewählt, dass Signale, die eine falsche Orientierung aufweisen, automatisch herausgefiltert werden. Die Graphenschichten erhöhen somit die Sensitivität eines Sensors in einer Vorzugsrichtung.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Filterelement für einen spektralen Sensor, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Filterelements, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein Filterelement für einen spektralen Sensor vorgestellt, wobei das Filterelement folgende Merkmale aufweist:
zumindest eine Filterschicht aus einem zweidimensionalen Material, wobei die Filterschicht zumindest eine Gitterstruktur zum Absorbieren elektromagnetischer Strahlung in einem Absorptionswellenlängenbereich aufweist; und
eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die Filterschicht zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei der Absorptionswellenlängenbereich durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abhängig von der Spannung verschiebbar ist.
Unter einem spektralen Sensor kann ein miniaturisiertes Modul zur Analyse der spektralen Zusammensetzung von Licht verstanden werden. Unter einer Filterschicht aus einem zweidimensionalen Material kann beispielsweise eine Schicht mit einer Schichtdicke von einer Atomlage verstanden werden. Hierbei kann sich das zweidimensionale Material in der Form einer Lage, bzw. Ebenenförmig, beispielsweise mit einer Hauptoberfläche über eine Hauptoberfläche eines Substrats, hin erstrecken. Insbesondere kann es sich bei der Filterschicht um eine Schicht aus Graphen oder einem sonstigen zweidimensionalen Material mit geeigneter Schichtdicke handeln. Unter einer Gitterstruktur kann eine regelmäßige, geometrisch bestimmte Struktur verstanden werden. Beispielsweise kann die Gitterstruktur aus Kreisen, Kreisringen, Balken, Stäben, Dreiecken, Lochgittern, U-Formen oder Antennen in regelmäßiger Anordnung zusammengesetzt sein. Der Absorptionswellenlängenbereich, d. h. ein Wellenlängenbereich der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, der beim Passieren der Filterschicht von der Filterschicht absorbiert wird, kann von der Geometrie der Gitterstruktur abhängig sein. Durch Anlegen der Spannung zwischen den beiden Elektroden, bei denen es sich beispielsweise je um eine Elektrodenschicht handeln kann, kann eine Ladungsträgerdichte der Filterschicht so verändert werden, dass sich der durch die Gitterstruktur festgelegte Absorptionswellenlängenbereich in entsprechender Weise verschiebt. So kann das Filterelement je nach angelegter Spannung durchgestimmt werden.
Die Filterschicht, die erste Elektrode und die zweite Elektrode können in einem Schichtverbund stapelförmig miteinander kombiniert sein. Dabei kann beispielsweise die erste Elektrode als Vorderseitenelektrode des Schichtverbunds realisiert sein. Entsprechend kann die zweite Elektrode als Rückseitenelektrode des Schichtverbunds realisiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein spektraler optischer Sensor, insbesondere ein Spektrometer, mit einem elektrisch durchstimmbaren strukturierten Graphenfilter oder einem Filter aus einem sonstigen zumindest abschnittsweise strukturierten zweidimensionalen Material kombiniert werden kann. Vorteilhafterweise kommt ein derartiger Filter im Vergleich zu einem Fabry-Perot-Filter ohne bewegliche Teile mit einer geringen Anzahl von Schichten aus. Dabei führt die Einstellung des Potenzials an einer Substratelektrode zu einer Verschiebung der resonanten Absorptionswellenlänge in dem zweidimensionalen Material, was schließlich eine Kontrolle über das Transmissionsspektrum der Komponente zulässt. Ein derartig veränderbarer Wellenlängenfilter adressiert beispielsweise Wellenlängen im Submillimeterbereich (THz), im Bereich mittleren Infrarots (ca. 2,5 bis 12 µm) bis zum Bereich kurzwelligen Infrarots (SWIR; 1 bis 2,5 µm).
Gemäß einer Ausführungsform kann die Filterschicht zumindest teilweise Graphen, MoS₂ und/oder schwarzen Phosphor als Schichtmaterial aufweisen. Eine derartige Filterschicht weist besonders günstige optische und fertigungstechnische Eigenschaften auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Filterelement zumindest eine transparente Isolierschicht aufweisen, die zwischen der ersten Elektrode und der Filterschicht angeordnet und/oder die in die erste Elektrode eingebettet ist, um die erste Elektrode und die Filterschicht elektrisch voneinander zu isolieren. Zusätzlich oder alternativ kann die Isolierschicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet sein, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch voneinander zu isolieren. Die Elektrode kann beispielsweise auch in die Isolatorschicht eingebettet sein, also Teile der Isolierschicht sind auf einer Höhe mit der Elektrode, sodass im engen Sinne nicht die vollständige Isolierschicht zwischen den beiden Elektroden liegt. Insbesondere kann die Filterschicht mit der zweiten Elektrode und/oder der ersten Elektrode Kontakt haben. Beispielsweise kann die Filterschicht dabei elektrisch leitfähig mit der zweiten Elektrode verbunden sein. Dadurch kann eine zuverlässige Funktion des Filterelements bei möglichst kompakter Bauform und einfacher Herstellbarkeit gewährleistet werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die erste Elektrode oder, zusätzlich oder alternativ, die zweite Elektrode zumindest teilweise ein transparentes Elektrodenmaterial aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann zumindest eine der beiden Elektroden als Elektrodenschicht realisiert sein. Dadurch können Abschattungseffekte reduziert werden. Somit kann die Effizienz des Filterelements erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Elektrode und/oder die erste Elektrode eine dreidimensionale Elektrodenstruktur aufweisen, wobei die Gitterstruktur mittels der dreidimensionalen Elektrodenstruktur gebildet sein kann. Beispielsweise kann die Filterschicht auf die dreidimensionale Elektrodenstruktur in entsprechender Weise aufgebracht sein, um dadurch die Gitterstruktur zu bilden. Durch diese Ausführungsform kann die Gitterstruktur ohne eigene Strukturierung der Filterschicht hergestellt werden.
Die Filterschicht kann zudem zumindest einen unstrukturierten Durchlassabschnitt zum Durchlassen eines Referenzspektrums aufweisen. Unter einem Referenzspektrum kann ein elektromagnetisches Spektrum verstanden werden, das das Filterelement ungefiltert passiert. Insbesondere kann der Durchlassabschnitt benachbart zur Filterschicht bzw. zur Gitterstruktur angeordnet sein. Je nach Ausführungsform kann sich bei dem Durchlassabschnitt um einen unstrukturierten lichtdurchlässigen Abschnitt der Filterschicht oder um einen lichtdurchlässigen Abschnitt außerhalb der Filterschicht handeln. Dadurch kann auf eine separate Messeinrichtung zur Durchführung einer Referenzmessung verzichtet werden.
Das Filterelement kann gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest eine Resonatorschicht aufweisen. Die Filterschicht und die Resonatorschicht können dabei einen Schichtstapel bilden und je mit der zweiten Elektrode und/oder der ersten Elektrode Kontakt haben, d. h. je an der zweiten Elektrode angeordnet und mit dieser elektrisch leitfähig verbunden sein. Bei der Resonatorschicht kann es sich um eine homogene Schicht, etwa um eine Metallschicht, zum Bilden eines Metall-Isolator-Metall-Resonators handeln. Dadurch kann das Filterelement mit einem Metall-Isolator-Metall-Resonator realisiert werden.
Es ist ferner von Vorteil, wenn das Filterelement zumindest eine weitere Filterschicht aus dem zweidimensionalen Material aufweist. Die weitere Filterschicht kann die Gitterstruktur aufweisen. Die Filterschicht und die weitere Filterschicht können einen Schichtstapel bilden. Insbesondere kann die Filterschicht oder, zusätzlich oder alternativ, die weitere Filterschicht mit der zweiten Elektrode Kontakt haben. Dadurch kann die Filterleistung des Filterelements mit verhältnismäßig geringem Zusatzaufwand erhöht werden.
Die Filterschicht kann gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest eine weitere Gitterstruktur zum Absorbieren elektromagnetischer Strahlung in einem weiteren Absorptionswellenlängenbereich aufweisen. Der weitere Absorptionswellenlängenbereich kann analog zum Absorptionswellenlängenbereich der Gitterstruktur durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode oder, zusätzlich oder alternativ, durch Anlegen einer Spannung zwischen zumindest einer weiteren ersten Elektrode und einer weiteren zweiten Elektrode des Filterelements abhängig von der Spannung verschiebbar sein. Bei der weiteren ersten oder weiteren zweiten Elektrode kann es sich je um eine von der ersten oder zweiten Elektrode separate Elektrode handeln. Bei dem Absorptionswellenlängenbereich und dem weiteren Absorptionswellenlängenbereich kann es sich um unterschiedliche Wellenlängenbereiche handeln. Beispielsweise können sich die beiden Absorptionswellenlängenbereiche teilweise überlappen. Durch diese Ausführungsform können unterschiedliche Wellenlängenbereiche mittels des Filterelements gefiltert werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem einen spektralen Sensor mit folgenden Merkmalen:

zumindest einem Filterelement gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen; und
zumindest einem Detektorelement zum Detektieren einer von dem Filterelement durchgelassenen elektromagnetischen Strahlung.

Unter einem Detektorelement, auch Detektor- oder Fotopixel genannt, kann ein optischer Sensor wie beispielsweise eine Fotodiode, ein Fototransistor oder ein CCD- oder CMOS-Sensor verstanden werden. Je nach Ausführungsform kann der spektrale Sensor auch eine Mehrzahl von in einem zweidimensionalen Detektorarray angeordneten Detektorelementen aufweisen, wobei je ein Detektorelement je einem Filterelement zugeordnet sein kann und somit je einen Eingangskanal zum Aufnehmen eines Transmissionsspektrums repräsentieren kann.
Des Weiteren schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Herstellen eines Filterelements für einen spektralen Sensor, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bilden eines Schichtstapels aus zumindest einer Filterschicht aus einem zweidimensionalen Material und zumindest einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, wobei die Filterschicht mit zumindest einer Gitterstruktur zum Absorbieren elektromagnetischer Strahlung in einem Absorptionswellenlängenbereich strukturiert wird und zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet wird, wobei der Absorptionswellenlängenbereich durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abhängig von der Spannung verschiebbar ist.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors aus 1;
3 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors aus 1;
4 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors aus 1;
5 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors aus 1;
6 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors aus 1;
7 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors aus 1;
8 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors mit einem Referenzpixel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors aus 8 in der Draufsicht;
10 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors mit großflächiger Vorderseitenelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors mit großflächiger Vorderseitenelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel;
12 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors mit großflächiger Vorderseitenelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel;
13 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors mit einer weiteren Filterschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel;
14 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors mit zwei weiteren Filterschichten gemäß einem Ausführungsbeispiel;
15 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors mit einem Metall-Isolator-Metall-Resonator gemäß einem Ausführungsbeispiel;
16 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors mit einem Metall-Isolator-Metall-Resonator gemäß einem Ausführungsbeispiel;
17 eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors mit einem Multi-Pixel-Filter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
18 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
19 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In 1 sind ein Funktionsprinzip und ein schematischer Aufbau eines Filterelements 102 des spektralen Sensors 100 gezeigt. Das Filterelement 102 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein Schichtstapel aus einer Filterschicht 104 aus einem zweidimensionalen Material, insbesondere beispielsweise aus Graphen, einer ersten Elektrode 106 und einer zweiten Elektrode 108 realisiert. Der Schichtstapel ist auf einem transparenten Substrat 110 aufgebaut. Die Filterschicht 104 weist eine Gitterstruktur 112 zum Absorbieren elektromagnetischer Strahlung in einem vorgegebenen Absorptionswellenlängenbereich 113 auf und ist zwischen der ersten Elektrode 106, hier einer gitterförmigen Vorderseitenelektrode des Filterelements 102, und der zweiten Elektrode 108, hier einer transparenten, flächigen Rückseitenelektrode des Filterelements 102, angeordnet. Alternativ ist auch die erste Elektrode 106 zumindest im Bereich der Gitterstruktur 112 aus einem transparenten Elektrodenmaterial in Form einer Elektrodenschicht realisiert, wie in 10 dargestellt. Um die zweite Elektrode 108 und die Filterschicht 104 elektrisch von der ersten Elektrode 106 zu isolieren, ist auf die zweite Elektrode 108 und die Filterschicht 104 eine transparente Isolierschicht 114 aufgebracht.
Durch Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Elektroden 106, 108 kann die Ladungsträgerdichte der Filterschicht 104 geändert werden. Dementsprechend verschiebt sich in Abhängigkeit von der angelegten Spannung der Absorptionswellenlängenbereich 113. Auf diese Weise kann ein durch den spektralen Sensor 100 zu filternder Wellenlängenbereich ohne Verwendung beweglicher Bauteile durchgestimmt werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst den spektralen Sensor 100 ein Detektorelement 116 zum Detektieren eines von der Filterschicht 104 durchgelassenen Transmissionsspektrums 117, auch Fotodetektor genannt. Eine Kombination aus dem Detektorelement 116 und dem Filterelement 102 mit der Filterschicht 104 kann auch als Filterpixel bezeichnet werden. Das Detektorelement 116 ist beispielsweise gegenüber einer das transparente Substrat 110 aufweisenden Seite des Filterelements 102 angeordnet. Die Filterschicht 104 absorbiert nur bestimmte Wellenlängen des einfallenden Lichtspektrums. Das Detektorelement 116 detektiert somit das Gesamtspektrum ohne diese Wellenlängen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der spektrale Sensor 100 zusätzlich eine Lichtquelle zum Beleuchten eines zu analysierenden Objekts mit Licht in einem geeigneten Wellenlängenbereich.
Bei der Filterschicht 104 handelt es sich beispielsweise um eine einzelne Atomlage bestehend aus Kohlenstoffatomen, die besondere physikalische Eigenschaften besitzt. Im Unterschied zu typischen Halbleitermaterialien wie Silizium (Si), Germanium (Ge) oder Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) besitzt Graphen keine Bandlücke. Durch die lineare Dispersionsrelation am sogenannten Dirac-Punkt folgt der elektronische Transport relativistischen Zusammenhängen, sodass sich Elektronen wie masselose Teilchen verhalten. Das beschriebene elektronische Verhalten bestimmt letztlich auch die optischen Eigenschaften von Graphen.
Bei vertikal einfallendem Licht ist die Absorption von Graphen theoretisch für alle Wellenlängen konstant und beträgt ca. 2,3 %. Bezogen auf eine atomare Monolage ist dieser Wert sehr hoch. Im Vergleich mit Fotodetektoren, die typischerweise aus Si, Ge oder InGaAs bestehen, ist der Absolutwert allerdings gering. Aus diesem Grund ist Graphen als Absorptionsmaterial für die Lichtdetektion den klassischen Fotodetektortechnologien unterlegen.
In der Literatur sind verschiedene Fotodetektortypen beschrieben:

Metal-Semiconductor-Metal (MSM)-Design Mueller, T., Xia, F.N.A., Avouris, P.: Graphene photodetectors for high-speed optical communications. Nat. Photonics 4(5), 297-301 (2010). doi:10.1038/Nphoton.2010.40
Schottky-Diode Design An, X.H., Liu, F.Z., Jung, Y.J., Kar, S.: Tunable Graphene-Silicon Heterojunctions for Ultrasensitive Photodetection. Nano Lett. 13(3), 909-916 (2013). doi:10.1021/NI303682j
Graphene Phototransistor Liu, C.-H. , Chang, Y.-C., Norris, T. B., Zhong, Z.: Graphene photodetectors with ultra-broadband and high responsivity at room temperature. Nat. Nanotechnol. 1, (2014). DOI: 10.1038/NNANO.2014.31

Um das Problem der geringen Absorption von Graphen zu umgehen, werden in der Literatur hybride Systeme diskutiert. Die hybriden Systeme bestehen beispielsweise aus einer Kombination von Graphen mit einem optisch aktiven Material, resonanten Strukturen oder plasmonischen Strukturen bzw. Metamaterialien zur Verstärkung des Nahfeldes:

Ferrari, A.C. et al., „Science and technology roadmap for graphene, related twodimensional crystals, and hybrid systems“, Nanoscale 7, 4598 (2015).
Song, S. et al., „Graphene Composites Based Photodetectors“ in: „Graphenebased polymer nanocomposites in electronics“, hg. von K. K. Sadasivuni, 2015.

In strukturierten metallischen Schichten wie in Gold, Silber, Aluminium oder auch in Graphen können durch das einfallende Licht Oberflächenplasmonen (Plasmaschwingungen) angeregt werden. Die optischen Eigenschaften der strukturierten metallischen Schicht werden wesentlich von ihrer lateralen geometrischen Struktur und von ihrer Leitfähigkeit bestimmt.
Die angeregten Oberflächenplasmonen besitzen sehr starke optische Nahfelder und führen zu einer Feldverstärkung an der metallischen Nanostruktur.
Die Anregung eines Oberflächenplasmons bzw. das Treffen einer Oberflächenplasmonenresonanz durch ein einfallendes Photon entspricht der Absorption des Photons in der metallischen Schicht.
Um Oberflächenplasmonen in einer homogenen metallischen Schicht an einer Luft-Metall-Grenzfläche anregen zu können, müssen Wellenzahl (parallele Komponente) und die Energie von Photon und Plasmon übereinstimmen. Durch diese Einschränkung erfolgt eine Anregung beispielsweise durch eine Kretschmann-Konfiguration, bei der das einfallende Photon aus einem Glasprisma auf die metallische Schicht einfällt.
Bei strukturierten metallischen Schichten ist die Anregung eines Oberflächenplasmons dagegen auch an einer Luft-Metall-Grenzfläche möglich.
Bei gegebenem Einfallswinkel, beispielsweise senkrecht zur Schicht, werden bestimmte (Resonanz-)Wellenlängen besonders stark gedämpft. Die Transmission durch das Filter sinkt für diese Wellenlängen.
Aus den Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften ist bekannt, dass die Ladungsträgerdichte von Graphen beispielsweise durch die Veränderung des Graphenpotenzials mithilfe einer Substratelektrode „backgate“ einstellbar ist.
In Forschungsarbeiten wurden plasmonische Effekte in der Graphenschicht selbst nachgewiesen. Bei der Kopplung von Licht, d. h. von Photonen, mit den Ladungsträgern in der dünnen Graphenschicht spricht man präziser von sogenannten Oberflächenplasmonenpolaritonen (Surface Plasmon Polariton bzw. SPP). SPPs lassen sich mit Photonen einer bestimmten Wellenlänge und Einfallsrichtung anregen.
Die Kombination der backgate-Substratelektrode mit der Anregung von SPPs in Graphen wurde in der Literatur demonstriert:

Chen, J. et al., „Optical nano-imaging of gate-tunable graphene plasmons", Nature 487, 77 (2012)

Durch die Strukturierung der Graphenschicht mittels der Gitterstruktur 112 kann die Resonanzfrequenz der SPPs prozesstechnisch definiert werden. Die Resonanzfrequenz hängt dabei von den Abmessungen und Formen der periodischen Strukturen ab. Entsprechend der Strukturgrößen im Bereich mehrerer Mikrometer bis in den Sub-100-Nanometer-Bereich lässt sich die Resonanzfrequenz zwischen Terahertz und einigen Hundert Terahertz bzw. die entsprechende Resonanzwellenlänge zwischen Wellenlängen im Submillimeterbereich und im Bereich einiger Mikrometer einstellen:

Fang, Z. et al., „Active tunable absorption enhancement with Graphene Nanodisk Arrays", Nano Lett. 14(1), pp. 299-304 (2014).
Fang, Z. et al., „Gated Tunability and Hybridization of Localized Plasmons in Nanostructured Graphene", ACS Nano 7, pp. 2388-2395 (2013).

Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die Filterschicht 104 eine Schichtdicke d < λ (einfallende Wellenlänge). Die Durchstimmbarkeit der Transmission bzw. Reflexion des Filterelements 102 basiert dabei auf plasmonischen Effekten.
Die Strukturierung der Filterschicht 104 in ein periodisches Gitter, beispielsweise aus Kreisen, Kreisringen, Balken, Stäben, Dreiecken, Lochgittern, Split-Ring-Resonatoren bzw. U-Formen oder Antennen, ermöglicht eine fertigungsbedingte Anpassung der Resonanzbedingung für die Absorption einer gewünschten Wellenlänge. Die Breite einer Resonanz kann hierbei mehrere Hundert Nanometer betragen. Hiermit lässt sich letztlich eine Anpassung des Transmissionsspektrums 117 vornehmen.
Zum Durchstimmen des Filterelements 102 wird eine elektrische Spannung verwendet. Die Ladungsträgerdichte lässt sich nur für Materialien mit einer bestimmten Bandstruktur, wie beispielsweise Graphen, über eine Elektrode steuern. Vorteilhaftweise sind hierzu keine beweglichen Teile erforderlich, da das Durchstimmen der Transmission durch Anlegen der elektrischen Spannung erfolgt. Ein weiterer Vorteil besteht in der geringen Anzahl von Schichten verglichen mit konkurrierenden Technologien wie etwa Fabry-Pérot-Filtern. Vorteilhaft ist auch, dass die Definition der Transmission bzw. der Resonanzwellenlängen durch die lateralen Abmessungen der Filterschicht 104, d. h. mittels Lithografie, erfolgen kann. Des Weiteren ist eine direkte Integration des Filterelements 102 auf dem Detektorelement 116, da die Prozesse zur Herstellung des Filterelements 102 bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden können. Ferner kann beispielsweise durch einen Multi-Pixel-Filter eine Vergrößerung der spektralen Bandbreite erreicht werden. Dabei können die einzelnen Pixel über die Größe und Form der Filterstrukturen auf verschiedene Wellenlängenbereiche abgestimmt werden. Hiermit kann der Gesamtfilter beispielsweise derart ausgelegt werden, dass ein erstes Pixel einen ersten Wellenlängenbereich auswertet, wobei zumindest ein weiteres Pixel zumindest einen angrenzenden weiteren Wellenlängenbereich auswertet. Die auswertbare spektrale Bandbreite lässt sich durch die Multi-Pixel-Architektur im Vergleich zu einem einzelnen Filter deutlich vergrößern. Ein solches Multi-Pixel-Filter ermöglicht beispielsweise auch die Realisierung einer hyperspektralen Kamera, bei der jedes Einzelpixel spektrale Informationen aufnimmt. Mithilfe eines zweidimensionalen Pixelarrays lassen sich sowohl räumliche Informationen als auch die spektralen Informationen jedes einzelnen Pixels gewinnen. Diese Technologie ist als hyperspektrale Kamera bekannt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Filterelement 102 mit folgender Schichtfolge aufgebaut:

- Metallelektrode als erste Elektrode 106;
- Transparentes isolierendes Medium mit hoher Kapazität, beispielsweise Ionengel, als Isolierschicht 114;
- Strukturierte Filterschicht 104, beispielsweise Graphen (Single Layer Graphene; SLG);
- Transparente leitfähige Schicht, beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), als zweite Elektrode 108;
- Transparentes Substrat 110, beispielsweise aus Glas, Silizium, Germanium, Al2O3, CdTe, ZnSe, CaF2, BaF2 oder LiF.

Die Absorptionswellenlänge des Filterelements 102 ergibt sich aus der geometrischen Auslegung der resonanten Graphenstrukturen 112. Entsprechend der adressierten Wellenlänge besitzt die strukturierte Filterschicht 104 beispielsweise eine Periode von ca. 1 µm (für THz) zu einigen 100 nm (für mittleres Infrarot) und bis zu ca. 10 nm (für kurzwelliges Infrarot). Das Durchstimmen der gefilterten Wellenlängen erfolgt durch Anlegen einer Spannung zwischen der transparenten Rückseitenelektrode 108 und der Vorderseitenelektrode 106.
Je nach Ausführungsbeispiel ist die strukturierte Filterschicht 104 alternativ aus zweidimensionalen Materialien wie Germanen, d. h. einatomige Schichten aus Germanium, Silicen, d. h. einatomige Schichten aus Silizium, MoS2, blackphosphorus, GaTe, GaS, GaSe, MoSe2, WS2, In2Se3, WSe2, TiS2, SnS2 oder ZrS3 realisiert.
Die 2 bis 4 zeigen schematische Darstellungen eines spektralen Sensors 100 aus 1. Gezeigt ist die Transmission des Filterelements 102 für verschiedene geometrische Abmessungen der Filterschicht 104. Der Absorptionswellenlängenbereich 113 lässt sich durch den Strukturierungsprozess definiert einstellen. Aus den drei 2 bis 4 ist ersichtlich, dass sich der Absorptionswellenlängenbereich 113 je nach Gitterstruktur 112 innerhalb des Gesamtspektrums verschiebt.
Die 5 bis 7 zeigen schematische Darstellungen eines spektralen Sensors 100 aus 1. Gezeigt ist das Funktionsprinzip des Filterelements 102 bei Anlegen einer variablen Spannung V_i zwischen den beiden Elektroden 106, 108. Wie aus den drei 5 bis 7 ersichtlich, verschieben sich die Absorptionslinien 113 des Filterelements 102 entsprechend der angelegten Spannung.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors 100 mit Referenzpixel gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem vorangehend anhand der 1 bis 7 beschriebenen spektrale Sensor umfasst das Filterelement 102 gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen benachbart zur Filterschicht 104 angeordneten Durchlassabschnitt 800 zum Durchlassen eines Referenzspektrums 801, mit dem das von der Filterschicht 104 durchgelassene Transmissionsspektrum 117 verglichen werden kann. Beispielsweise ist der Durchlassabschnitt 800 durch einen Abschnitt des Schichtstapels bestehend aus der Isolierschicht 114, der zweiten Elektrode 108 und dem transparenten Substrat 110 gebildet. Zusätzlich ist gegenüber dem Durchlassabschnitt 800 ein Referenzdetektorelement 802 zum Detektieren des von dem Durchlassabschnitt 800 durchgelassenen Referenzspektrums 801 angeordnet. Der den Durchlassabschnitt 800 und das Referenzdetektorelement 802 aufweisende Abschnitt des Filterelements 100 kann dementsprechend auch als Referenzpixel bezeichnet werden. Bei dem Referenzdetektorelement 802 und dem Detektorelement 116 handelt es sich beispielsweise um Elemente eines Fotodetektorarrays. Alternativ sind die beiden Detektorelemente 116, 802 als Einzelpixel realisiert.
Mittels der in 8 gezeigten Anordnung kann eine „balanced photodetection“ durchgeführt werden. Dabei werden die Signale des Fotodetektors bestehend aus Filter- und Referenzpixel in geeigneter Weise miteinander verarbeitet.
Das Referenzpixel ohne strukturierte zweidimensionale Schicht befindet sich insbesondere unmittelbar neben dem durchstimmbaren Filterpixel. Die Signale der beiden Pixel lassen sich subtrahieren, was auch als balanced photodetection bezeichnet wird, sodass der Effekt des Durchstimmens als Gesamtwert resultiert. Durch diese Methode kann Rauschen reduziert werden.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors 100 aus 8 in der Draufsicht.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors 100 mit großflächiger Vorderseitenelektrode 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Je nach Ausführungsbeispiel weist die erste Elektrode 106 ein transparentes Elektrodenmaterial oder Graphen als Elektrodenmaterial auf.
Für die in den 1 bis 9 gezeigten schmalen Vorderseitenkontakte der ersten Elektrode 106 besteht ein Kompromiss zwischen elektrischem Widerstand und Abschattung des einfallenden Lichts. Deshalb wird gemäß dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel alternativ eine großflächige unstrukturierte Schicht als Vorderseitenelektrode verwendet, die die Transmission nur in geringem Maße abschwächt. Die erste Elektrode 106 ist dazu beispielsweise aus ITO oder Graphen realisiert.
Die 11 und 12 zeigen schematische Darstellungen eines spektralen Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die zweite Elektrode 108 eine dreidimensionale Elektrodenstruktur 1100 aufweist, wobei die Gitterstruktur 112 mittels der dreidimensionalen Elektrodenstruktur 1100 gebildet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Filterschicht 104 auf einer mit der Elektrodenstruktur 1100 strukturierten transparenten Rückseitenelektrode aufgebracht. Die Filterschicht 104 selbst weist dabei beispielsweise keine spezielle Gitterstruktur auf.
Die Strukturierung der Filterschicht 104 erfolgt gemäß den in den 11 und 12 gezeigten Ausführungsbeispielen mithilfe eines strukturierten Substrats, indem die Elektronen in der dünnen Filterschicht 104 ein periodisch wechselndes Potenzial durch die darunterliegende Rückseitenelektrode, etwa durch eine periodische Elektrode im Substrat oder durch substratinduzierte Verspannungen, erfährt.
13 zeigt eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors 100 mit einer weiteren Filterschicht 1300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Filterschichten 104, 1300 zu einem Filterstapel aufeinandergestapelt, wobei die zweite Elektrode 108 zwischen den Filterschichten 104, 1300 angeordnet ist und mit beiden Filterschichten 104, 1300 Kontakt hat. Bei der weiteren Filterschicht 1300 handelt es sich analog zur Filterschicht 104 um eine Schicht aus einem zweidimensionalen Material, das mit der Gitterstruktur 112 strukturiert ist.
14 zeigt eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 13 umfasst das in 14 gezeigte Filterelement 102 beispielhaft zwei weitere Filterschichten 1300 mit der Gitterstruktur 112. Die weiteren Filterschichten 1300 bilden mit der Filterschicht 104 einen Filterstapel. Dabei haben die drei Filterschichten jeweils Kontakt mit der zweiten Elektrode 108.
Das Stapeln der Filterschichten 104, 1300 erfolgt etwa in mehreren Ebenen: Neben Periodizität, Abmessung, Form und Ladungsträgerdichte erlaubt hierbei auch der Abstand der Filterschichten einen weiteren Freiheitsgrad bei der Auslegung des gesamten Filterelements. Mehrere übereinander angeordnete Filterschichten können bei identischer Auslegung die Absorption definierter Wellenlängen erhöhen und zu einer weiteren Feldverstärkung führen. Um das Durchstimmen weiterhin zuzulassen, sind alle Filterschichten mit der Elektrode 108 in Kontakt.
Die 15 und 16 zeigen schematische Darstellungen eines spektralen Sensors 100 mit einem Metall-Isolator-Metall-Resonator gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der durchstimmbare Metall-Isolator-Metall-Resonator ist beispielsweise durch eine Resonatorschicht 1500 in Kombination mit der Filterschicht 104 bzw. zumindest einer weiteren Filterschicht 1300 gebildet.
Durch das Stapeln von mindestens einer Filterschicht auf der Resonatorschicht 1500, d. h. einer homogenen Schicht, beispielsweise aus Metall, können die Eigenschaften eines Metall-Isolator-Metall-Resonators zur spektralen Filterung ausgenutzt werden. Die Wechselwirkungen finden dabei zwischen den verschiedenen Filterebenen und nicht zwischen den Strukturen einer Ebene statt. Die lateralen Dimensionen der Strukturen und der vertikale Abstand der Filterschichten definieren dabei die absorbierte Wellenlänge.
17 zeigt eine schematische Darstellung eines spektralen Sensors 100 mit einem Multi-Pixel-Filter gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Multi-Pixel-Filter ist durch unterschiedlich strukturierte Abschnitte der Filterschicht 104 gebildet. Beispielhaft weist die Filterschicht 104 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich zur Gitterstruktur 112 eine erste weitere Gitterstruktur 1700 und eine zweite weitere Gitterstruktur 1702 auf, die sich hinsichtlich ihrer jeweiligen Absorptionseigenschaften voneinander unterscheiden und somit unterschiedliche Absorptionswellenlängenbereiche absorbieren. Jedes Filterpixel ist über die Dimensionierung seiner jeweiligen Struktur per Fabrikation für einen bestimmten Wellenlängenbereich ausgelegt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen die Filterpixel eine gemeinsame Vorderseitenelektrode 106 auf.
Jedes Pixel des Multi-Pixel-Detektors weist durch eine geeignete Strukturierung der Filterschicht eine definierte, vom Nachbarpixel verschiedene Transmission auf. Der gesamte auswertbare Wellenlängenbereich ergibt sich durch Zusammensetzen der Einzelpixelsignale und ist damit deutlich erweitert. Die Einzelpixel können separat oder gemeinsam über die Vorderseitenelektrode 106 durchgestimmt werden. Die Kalkulation des Ursprungsspektrums erfolgt durch Kombination der Einzelpixelsignale in einer entsprechenden Datennachverarbeitung.
18 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1800 zum Herstellen eines Filterelements für einen spektralen Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1800 kann beispielsweise zur Herstellung eines vorangehend anhand der 1 bis 17 beschriebenen Filterelements durchgeführt werden. Dabei wird in einem Schritt 1810 ein Schichtstapel aus zumindest einer Filterschicht aus einem zweidimensionalen Material und zumindest einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode gebildet. Die Filterschicht wird dabei mit zumindest einer Gitterstruktur zum Absorbieren elektromagnetischer Strahlung in einem Absorptionswellenlängenbereich strukturiert und zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet. Der Absorptionswellenlängenbereich ist durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abhängig von der Spannung verschiebbar, sodass das Filterelement ohne Einsatz beweglicher Teile durchstimmbar ist.
19 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1900 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1900 kann beispielsweise zur Durchführung eines Herstellungsverfahrens, wie es vorangehend anhand von 18 beschrieben ist, ausgebildet sein. Die Vorrichtung 1900 umfasst eine Ansteuereinheit 1910 zum Ansteuern einer Maschine oder Anlage zur Herstellung des Filterelements durch Bilden des Schichtstapels aus der Filterschicht und den beiden Elektroden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3015832 A1 [0002]
US 8530885 B1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Metal-Semiconductor-Metal (MSM)-Design Mueller, T., Xia, F.N.A., Avouris, P.: Graphene photodetectors for high-speed optical communications. Nat. Photonics 4(5), 297-301 (2010). doi:10.1038/Nphoton.2010.40 [0033]
Schottky-Diode Design An, X.H., Liu, F.Z., Jung, Y.J., Kar, S.: Tunable Graphene-Silicon Heterojunctions for Ultrasensitive Photodetection. Nano Lett. 13(3), 909-916 (2013). doi:10.1021/NI303682j [0033]
Graphene Phototransistor Liu, C.-H. , Chang, Y.-C., Norris, T. B., Zhong, Z.: Graphene photodetectors with ultra-broadband and high responsivity at room temperature. Nat. Nanotechnol. 1, (2014). DOI: 10.1038/NNANO.2014.31 [0033]
Chen, J. et al., „Optical nano-imaging of gate-tunable graphene plasmons“, Nature 487, 77 (2012) [0043]
Fang, Z. et al., „Active tunable absorption enhancement with Graphene Nanodisk Arrays“, Nano Lett. 14(1), pp. 299-304 (2014) [0044]
Fang, Z. et al., „Gated Tunability and Hybridization of Localized Plasmons in Nanostructured Graphene“, ACS Nano 7, pp. 2388-2395 (2013) [0044]

Claims

Filterelement (102) für einen spektralen Sensor (100), wobei das Filterelement (102) folgende Merkmale aufweist: zumindest eine Filterschicht (104) aus einem zweidimensionalen Material, wobei die Filterschicht (104) zumindest eine Gitterstruktur (112) zum Absorbieren elektromagnetischer Strahlung in einem Absorptionswellenlängenbereich (113) aufweist; und eine erste Elektrode (106) und eine zweite Elektrode (108), wobei die Filterschicht (104) zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Elektrode (106) und der zweiten Elektrode (108) angeordnet ist, wobei der Absorptionswellenlängenbereich (113) durch Anlegen einer Spannung (V1, V2, V3) zwischen der ersten Elektrode (106) und der zweiten Elektrode (108) abhängig von der Spannung (V1, V2, V3) verschiebbar ist.
Filterelement (102) gemäß Anspruch 1, bei dem die Filterschicht (104) zumindest teilweise Graphen, MoS₂ und/oder schwarzen Phosphor als Schichtmaterial aufweist.
Filterelement (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einer transparenten Isolierschicht (114), die zwischen der ersten Elektrode (106) und der Filterschicht (104) angeordnet und/oder die in die erste Elektrode (106) eingebettet ist, um die erste Elektrode (106) und die Filterschicht (104) elektrisch voneinander zu isolieren, und/oder die zwischen der ersten Elektrode (106) und der zweiten Elektrode (108) angeordnet ist, um die erste Elektrode (106) und die zweite Elektrode (108) elektrisch voneinander zu isolieren, insbesondere wobei die Filterschicht (104) mit der zweiten Elektrode (108) und/oder der ersten Elektrode (106) Kontakt hat.
Filterelement (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die erste Elektrode (106) und/oder die zweite Elektrode (108) zumindest teilweise ein transparentes Elektrodenmaterial aufweist und/oder als Elektrodenschicht realisiert ist.
Filterelement (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die zweite Elektrode (108) und/oder die erste Elektrode (106) eine dreidimensionale Elektrodenstruktur (1100) aufweist, wobei die Gitterstruktur (112) mittels der dreidimensionalen Elektrodenstruktur (1100) gebildet ist.
Filterelement (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einem unstrukturierten Durchlassabschnitt (800) zum Durchlassen eines Referenzspektrums (801) aufweist.
Filterelement (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einer Resonatorschicht (1500) zum Bilden eines Resonators, wobei die Filterschicht (104) und die Resonatorschicht (1500) einen Schichtstapel bilden und je mit der zweiten Elektrode (108) und/oder der ersten Elektrode (106) Kontakt haben.
Filterelement (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einer weiteren Filterschicht (1300) aus dem zweidimensionalen Material, wobei die weitere Filterschicht (1300) die Gitterstruktur (112) aufweist, wobei die Filterschicht (104) und die weitere Filterschicht (1300) einen Schichtstapel bilden, insbesondere wobei die Filterschicht (104) und/oder die weitere Filterschicht (1300) mit der zweiten Elektrode (108) Kontakt hat.
Filterelement (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Filterschicht (104) zumindest eine weitere Gitterstruktur (1700, 1702) zum Absorbieren elektromagnetischer Strahlung in einem weiteren Absorptionswellenlängenbereich (113) aufweist, wobei der weitere Absorptionswellenlängenbereich (113) durch Anlegen einer Spannung (V1, V2, V3) zwischen der ersten Elektrode (106) und der zweiten Elektrode (108) und/oder zwischen zumindest einer weiteren ersten Elektrode (106) und einer weiteren zweiten Elektrode (108) des Filterelements (102) abhängig von der Spannung (V1, V2, V3) verschiebbar ist.
Spektraler Sensor (100) mit folgenden Merkmalen: zumindest einem Filterelement (102) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9; und zumindest einem Detektorelement (116, 802) zum Detektieren einer von dem Filterelement (102) durchgelassenen elektromagnetischen Strahlung (117).
Verfahren (1800) zum Herstellen eines Filterelements (102) für einen spektralen Sensor (100), wobei das Verfahren (1800) folgende Schritte umfasst: Bilden (1810) eines Schichtstapels aus zumindest einer Filterschicht (104) aus einem zweidimensionalen Material und zumindest einer ersten Elektrode (106) und einer zweiten Elektrode (108), wobei die Filterschicht (104) mit zumindest einer Gitterstruktur (112) zum Absorbieren elektromagnetischer Strahlung in einem Absorptionswellenlängenbereich (113) strukturiert wird und zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Elektrode (106) und der zweiten Elektrode (108) angeordnet wird, wobei der Absorptionswellenlängenbereich (113) durch Anlegen einer Spannung (V1, V2, V3) zwischen der ersten Elektrode (106) und der zweiten Elektrode (108) abhängig von der Spannung (V1, V2, V3) verschiebbar ist.
Vorrichtung (1900) mit einer Einheit (1910), die ausgebildet ist, um das Verfahren (1800) gemäß Anspruch 11 auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (1800) gemäß Anspruch 11 auszuführen und/oder anzusteuern und/oder umzusetzen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.