08.09.2022

Spektroskopie mit dünnen Schichten

Dünnschichtsensoren erreichen hohe spektrale Auflösung und lassen sich als integrierte Bauteile einsetzen.

Die Spektroskopie ist eine der wichtigsten Analysemethoden in Forschung und Industrie. Marktübliche Geräte sind allerdings in der Regel relativ groß und sehr teuer. Sie basieren zumeist auf dem Prinzip des Prismas oder Gitters: Licht wird gebrochen und die Wellenlänge entsprechend des Brechungs­winkels zugeordnet. Am Institut für Angewandte Physik (IAP) und dem Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) der TU Dresden werden seit Jahren solche Sensorik­komponenten auf Basis von organischen Halbleitern erforscht. Mit den Ausgründungen Senorics und PRUUVE wurden bereits zwei Technologien in Richtung Marktreife entwickelt. Nun haben Forscher des IAP in Kooperation mit dem Institut für Physikalische Chemie einen Dünnschicht­sensor entwickelt, der eine ganz neue Art der Wellenlängen­identifikation von Licht beschreibt und dabei aufgrund seiner geringen Größe und Kosten klare Vorteile gegenüber den handelsüblichen Spektrometern aufweist.

 

Abb.: Die aktive Schicht des neuartigen Sensors, hier auf dünnen...
Abb.: Die aktive Schicht des neuartigen Sensors, hier auf dünnen Trägergläsern, ist lediglich so dünn wie ein Haar und leuchtet entsprechend der Anregungs­wellenlänge nach. (Bild: A. Kirch)

Die Funktionsweise der neuartigen Sensoren gestaltet sich folgender­maßen: Licht unbekannter Wellenlänge regt leuchtende (lumineszente) Stoffe in einem haardünnen Film an. Der Film besteht aus einer Mischung von lang nachleuchtenden (phosphores­zierenden) und nur sehr kurz nach­leuchtenden (fluoreszenten) Stoffen, die das zu untersuchende Licht unterschiedlich absorbieren. Über die Intensität des Nach­leuchtens, kann auf die Wellenlänge des unbekannten Eingangs­lichts geschlossen werden.

„Wir nutzen die fundamentale Physik angeregter Zustände in lumineszenten Schichten aus“, erklärt Anton Kirch, Doktorand am IAP. „Licht unterschiedlicher Wellenlänge generiert in einem solchen System, wenn es richtig zusammengesetzt ist, bestimmte Anteile von langlebigen Triplett- und kurzlebigen Singulett-Spinzuständen. Und wir drehen diese Abhängigkeit um. Durch eine Identifikation der Spinanteile mitteils eines Photodetektors, können wir Licht­wellenlängen identifizieren.“

„Die große Stärke unseres Forschungsverbundes hier in Dresden sind unsere Partner”, sagt Sebastian Reineke, der das Projekt koordinierte. „Zusammen mit den Gruppen von Alexander Eychmüller aus der Physikalischen Chemie und Karl Leo, Professor für Optoelektronik, können wir alle Herstellungs- und Analyseschritte selbst durchführen, angefangen von der Materialsynthese, über die Filmprozessierung bis hin zur Herstellung des organischen Detektors.”

Johannes Benduhn ist Gruppenleiter für Organische Sensoren und Solarzellen am IAP: „Ich war ehrlich gesagt sehr beeindruckt, dass ein einfacher photoaktiver Film kombiniert mit einem Photodetektor so ein hochauflösendes Bauteil bilden kann.“ Mit dieser Strategie haben die Wissenschaftler eine spektrale Auflösung unterhalb eines Nanometers erreicht und konnten erfolgreich kleinste Wellenlängen­änderungen von Lichtquellen nachvollziehen. Neben der Charakterisierung von Lichtquellen, können die neuartigen Sensoren auch in der Fälschungs­sicherheit eingesetzt werden: „Mit den kleinen und kostengünstigen Sensoren könnten zum Beispiel Geldscheine oder Dokumente schnell und sicher auf bestimmte Sicherheits­merkmale geprüft und somit deren Echtheit bestimmt werden, ganz ohne aufwändige Labortechnik“, erläutert Anton Kirch.

TU Dresden / DE

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