Selbstorganisation von Silber und Kupfer in porösen Matrizen: Oberflächenstruktur- und SERS-Studien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Dana Cialla-May; Dr. Vladimir Sivakov
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465289819

Der angestrebte wissenschaftliche Durchbruch des geplanten Projekts ist eine Studie über den kontrollierten und selbstorganisierten Prozess von lokalisierten Nanostrukturen in poröser Matrix auf Siliziumoberflächen, bei der dielektrische Poren selektiv mit plasmonisch-aktiven Metallen (Silber und Kupfer) gefüllt werden. Eine Herstellung und Oberflächenstruktur von dimensional getrennten plasmonischen Nanostrukturen für die Biosensorik unter Verwendung der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) wird im Rahmen des geplanten Projekts eingehend untersucht. Es ist sehr wichtig und herausfordernd, den Entstehungsmechanismus von plasmonischen Metall-Nanostrukturen mit noch komplexeren, aber anpassbaren Strukturen auf einfacheren Wegen unter milden Bedingungen zu verstehen und die Kinetik' von Selbstorganisationsprozessen von Silber- (Ag) und Kupfer- (Cu) Nanostrukturen in begrenzten Volumen (Poren) und atomarer/elektronischer Oberflächenstruktur grundsätzlich zu untersuchen, was die größte Herausforderung dieses Projekts darstellt. Der Einfluss Herstellungsparameter wie poröse Matrixbildung (Vergleich zwischen swift heavy ion und Lithographietechniken), selbstorganisierter Wachstumsmechanismus von Ag und Cu im geschlossenen Volumen ist noch nicht grundlegend untersucht. Um dieses ehrgeizige Projekt zu realisieren, bedarf es der wissenschaftlichen Expertise und langjährigen Erfahrung in den projektbezogenen Bereichen (Materialwissenschaft, Halbleitertechnologie, Röntgen- und Photoelektronenspektroskopie/Mikroskopie, Raman-Spektroskopie und Plasmonik) von zwei Gruppen: Dr. Sivakov und Dr. Cialla-May. Die Charakterisierung von Nanostrukturen wird mit oberflächenanalytischen Methoden (SEM, EDX, EBSD, TEM, etc.) durchgeführt, die mit der theoretischen Modellierung von Wachstumsprozessen und Raman-Streueigenschaften kombiniert werden. Für eine sorgfältige und detaillierte Analyse der gebildeten Strukturen, Oberflächen und Schnittstellen atomarer und elektronischer Strukturen sowie der lokalen atomaren Umgebungen und allgemein physikalisch-chemische Zustände werden die folgenden Methoden angewendet: Röntgenabsorption nahe der Kantenstruktur (Synchrotronquelle) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (Labor- und Synchrotronquellen) unter Verwendung von „large scale facilities“ am HZB BESSY II in Deutschland. Alle genannten Methoden werden in oberflächen- und massenempfindlichen Modi verwendet. Ex-situ- und in-situ-Modifikationen von lokalisierten, selbstorganisierten Metallnanostrukturen werden es ermöglichen, das Verständnis der Materialeigenschaften und Stabilität für die weitere Anwendung in der SERS-basierten Sensorik zu erweitern. Im Rahmen des geplanten Projekts sollen Ag- und Cu-Substrate als SERS-aktive Substrate für Untersuchungen in komplexen Matrizen eingesetzt werden, um das Potenzial der entwickelten SERS-Substrate für Detektionsverfahren in den Medizin- und Umweltwissenschaften unter Beweis zu stellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen