Chemische Wege zu zweidimensionalen photonischen Kristallsensoren mit Nano / Mikrokavitäten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Claudia Pacholski
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426173341

Die Entwicklung von hochempfindlichen Sensoren zur Erkennung von Gefahrstoffen ist sowohl in der akademischen Forschung als auch in kommerziellen Anwendungen ein heißes Thema. In diesem Zusammenhang sind optische Sensoren auf der Basis von nano / mikrostrukturiertem Silizium sehr interessant, und verschiedene Konfigurationen wie Mach-Zehnder-Interferometer, Wellenleiter und photonische Kristalle wurden untersucht. Diese Sensoren können eine außergewöhnliche Sensorleistung zeigen, wenn ihre geometrische Anordnung wohl überlegt ist und spezielle optische Ausleseverfahren angewendet werden. Hohe Empfindlichkeiten können mit optischen Sensoren erzielt werden, die auf zweidimensionalen (2D) photonischen Kristallplatten basieren. Diese Sensoren werden häufig durch ein periodisches Lochmuster in einer dünnen Siliziumplatte realisiert und können eine photonische Bandlücke (Stoppband) aufweisen. Diese photonische Bandlücke ist durch die Verhinderung der Lichtausbreitung in einem bestimmten Frequenzbereich gekennzeichnet. Dadurch werden enge Resonanzlinienbreiten in den optischen Spektren der 2D photonischen Kristalle erhalten, die diese Strukturen zu idealen Kandidaten für Sensoranwendungen machen. Die Empfindlichkeit dieser Sensoren kann dabei noch durch die Einführung von Punkt- oder Linienfehlern in das periodische Lochmuster, d.h. von Nano- / Mikrokavitäten, weiter gesteigert werden.Trotz des hohen Bedarfs an diesen Sensoren werden 2D photonische Kristallplatten fast ausschließlich durch top-down-Verfahren hergestellt, wie z.B. der Elektronenstrahllithographie. Diese Verfahren ermöglichen die genaue Definition der geometrischen Abmessungen von Nanostrukturen, erfordern jedoch spezielle, kostenintensive Geräte. Im Gegensatz dazu bieten bottom-up-Ansätze einfache und kostengünstige Methoden zur Strukturierung großer Flächen an. Insbesondere in der kolloidalen Lithographie wurden enorme Fortschritte bei der Realisierung hochgeordneter und hierarchischer Nanostrukturen erzielt. Trotzdem wurde die Herstellung von Nanomaterialien mit ortsselektiven Variationen in ihren Abmessungen im Mikro- / Nanomaßstab durch kolloidale Lithographie bisher kaum untersucht. Dieses Projekt zielt auf die Herstellung von 2D photonischen Kristallsensoren mit Nano / Mikrokavitäten unter Verwendung einer Kombination aus kolloidaler Lithographie und metallunterstütztem Ätzen von Substraten auf Siliziumbasis ab. Zu diesem Zweck werden die außergewöhnlichen Eigenschaften von stimuli-responsiven Hydrogel-Mikrogelen ausgenutzt, um eine unabhängige Kontrolle über Gitterkonstanten und Kolloiddurchmessern von Hydrogel-Mikrogelen zu erhalten, die auf Substratoberflächen abgeschieden sind. Die resultierenden kolloidalen Masken werden zur Herstellung von Gold-Nanodisc-Arrays verwendet, die anschließend zum metallunterstützten Ätzen des Substrats genutzt werden. Dadurch können dann 2D photonische Kristallsensoren mit Nano- / Mikrokavitäten auf große Flächen einfach hergestellt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen