LElBNlZ-lNSTlTUT für PHOTONlSCHE TECHNOLOGlEN // JAHRESBERICHT 2016
Liebe Leserinnen, liebe Leser,
»die vorliegende Ausgabe der
„reflexion“ ist mittlerweile der 25.
Jahresbericht, den unser Institut
veröffentlicht. Seit seiner Gründung,
am 1. Januar 1992 hat sich nicht allei-
ne das Erscheinungsbild der Jahres-
berichte geändert. Das Institut hat in
den vergangenen 25 Jahren eine be-
eindruckende Entwicklung vollzogen.
Als Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
ist das Leibniz-IPHT fest in der natio-
nalen Forschungslandschaft verankert
und global vernetzt.
Das aktuelle Heft widmet sich dem
Schwerpunktthema „Mikro- und Nano-
technologien“. Die wissenschaftlichen
Ergebnisse und die vorhandenen Kom-
petenzen in diesem Bereich sind zent-
rale Komponenten bei der Erforschung
von photonische Lösungen für Frage-
stellungen aus den Bereichen Medizin,
Gesundheit, Umwelt und Sicherheit
und prägen somit das wissenschaftli-
che Profil des Institutes.
Wie gewohnt berichten unsere
Wissenschaftlerinnen und Wissen-
schaftler in Form von Fachbeiträgen
über aktuelle Forschungsergebnisse.
Die Artikel finden Sie gemeinsam mit
den Inhalten des vorliegenden Heftes
und einem umfangreichen Datenanhang
sowie ergänzendem Material in unserer
App für Android-Tablets und iPads.
Wir möchten uns an dieser Stelle
ganz herzlich bei unseren Mitarbei-
terinnen und Mitarbeitern für deren
tagtägliche Arbeit und das hohe Enga-
gement bedanken. Ebenso gilt unser
Dank dem Freistaat Thüringen und
dem Bund sowie allen Förderern und
Partnern aus Politik, Wissenschaft
und Industrie für die langjährige enge
und vertrauensvolle Kooperation. Wir
freuen uns auf eine weitere erfolg-
reiche Zusammenarbeit.
Viel Freude beim Lesen wünschen
Ihnen
Jürgen Popp
Wissenschaftlicher Direktor
Frank Sondermann
Kaufmännischer Direktor
Prof. Dr. Jürgen Popp // Wissenschaftlicher Direktor
Frank Sondermann // Kaufmännischer Direktor
3------
Forschung, Entwicklung und ausgewählte Veranstaltungen am Leibniz-IPHT werden unterstützt von:
10
Mikro- und Nanotechnologien des Reinraums
Mit Lithographie, Beschichtungs- und
Ätztechniken vom Wafer zum Funkti-
onsstruktur. Ein Überblick der mikro-
und nanotechnologischen Prozesse im
Reinraum des Leibniz-IPHT.
9
Forschergruppe Nanooptik – Gezielte Wechselwirkung von Molekülen mit Licht
Dr. Jer-Shing Huang stellt seine neue
Forschergruppe am Leibniz-IPHT vor.
8
25 Jahre IPHT
Eindrücke vom festlichen Auftakt zum
25. Institutsjubiläum im Volksbad Jena.
6
Jahresrückblick 2016
Ein Überblick über die Ereignisse des
vergangenen Jahres.
18
Nanolithographie auf Wafer-level – Die Elektronenstrahl-Charakterprojektion
Neue Methoden zur Herstellung
plasmonischer Nanostrukturen auf
Waferlevel für die ultrasensitive Mole-
külspektroskopie.
22
Atomlagenabscheidung –Schicht für Schicht zur Funktion
Mit Atomlagenabscheidung lassen
sich am Leibniz-IPHT innovative
optische Materialien, komplexe Mate-
rialsysteme und funktionelle Beschich-
tungen nanometergenau Schicht für
Schicht aufbauen.
20
Thermosensoren – Aufbruch in neue Welten
Tradition mit Zukunft – Neue
Einsatzgebiete für Thermosensoren.
24
Supraleitende Nanoschalt-kreise als künstliche Atome
Grundlagenforschung an künstlichen
Atomen. Wie ihre natürlichen Vor-
bilder absorbieren die mikroskopisch
kleinen supraleitenden Schaltkreise
unter bestimmten Bedingungen Licht.
26
Top-down oder bottom-up –Mit Nanotechnologie zu aussichts reichen Silizium-nanostrukturen
Die außergewöhnlichen Eigenschaften
von Silizium-Nanostrukturen werden
am Leibniz-IPHT zum Beispiel zur
Erforschung neuer Strahlungssensoren
und Krebstheranostika genutzt.
30
Mikrostrukturierteoptische Fasern
Perfektion bis ins Detail – die
Her stellung optischer Fasern mit
mikrometerkleinen Innenstrukturen.
34
Nanoplasmonik – Metall-nanopartikel in allen Formen und Farben
Nanoplasmonische Nanopartikel aus
Metallen sind hochsensitive Sonden
für die moderne vor-Ort-Bioanalytik.
Hergestellt werden sie mit exakt
gesteuerten nanotechnologischen
Verfahren.
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Lichtmikroskopie – Mit Lichtblättern und Katzen-augen zu hochaufgelösten Multispek tralbildern
Eine am Leibniz-IPHT entwickelte
Mikroskopiemethode ermöglicht
detaillierte Ramanbildgebung mit
unübertroffener Geschwindigkeit.
32
Mikrofluidik – Das Labor der Zukunft auf einem Chip
Das Leibniz-IPHT blickt auf über 15
Jahre Expertise im Bereich der Mikro-
fluidik und Lab-on-a-Chip Technologie
zurück. In Zukunft soll die Technik
Standard-Laborverfahren ergänzen. Die
vielfältigen Einsatzmöglichkeiten las-
sen sich beim Blick in die Schubläden
voller Chips bereits erahnen.
36
TERS – Spitzenbilder aus der Nanowelt
Um mit spitzenverstärkter Raman-
Spektroskopie extrem hochaufgelöste
und detaillierte chemische Karten einer
Probe zu erhalten sind nanotechnolo-
gisch präparierte Spitzen unerlässlich.
42
Wissenschaftliche Beiträge in der App
44
Das Leibniz-IPHT auf einen Blick – Kennzahlen aus 2016
46
Organigramm //Forschungseinheiten
47
Wissenschaftlicher Beirat //Kuratorium
48
Vereinsmitglieder
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Finanzen des Institutes 2016
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Personal des Institutes 2016
Inhalt
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Spektroskopische Diagnostik an der
Chemisch-Geowissenschaftlichen-
Fakultät der FSU ernannt. Verbunden
mit der Professur ist die Leitung der
gleichnamigen Forschergruppe am
Leibniz-IPHT und dem Center for
Sepsis Control and Care (CSCC) des
Universitätsklinikum Jena. Durch die
enge Zusammenarbeit gelingt es Prof.
Neugebauer den Transfer von Ergeb-
nissen aus der Grundlagenforschung
in die Medizin weiter voranzutreiben.
» Das Leibniz-IPHT hat als Koor-
dinator des Forschungsverbundes
Leibniz-Gesundheitstechnologien
im Sommer 2016 das Thema Sepsis
prominent in der Zeitschrift „Bild
der Wissenschaft“ platziert. In einer
Artikelstrecke wurde ausführlich über
aktuelle Arbeiten des Institutes und
des Forschungsver bundes auf dem
Gebiet der Infektions diagnostik und
-therapie berichtet und die Thema-
tik damit einem breiten Publikum
nahegebracht. Die Zeitschrift ist das
auflagenstärkste wissenschaftliche
Magazin im deutschsprachigen Raum
und erreicht monatlich zirka 450.000
Leserinnen und Leser.
Informationen zur Organisations
struktur und aktuellen Kennzahlen
finden Sie auf den Seiten 44 bis 50.
Datenanhänge inkl. einer Liste der
Fachbeiträge finden Sie in unserer
App.
Jahresrückblick 2016
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» Auf Initiative des Leibniz-IPHT
wurde im August 2016 in Fortaleza,
Brasilien eine gemeinsame Erklärung
zur engeren Zusammenarbeit zwischen
brasilianischen und deutschen For-
schungseinrichtungen vorgestellt und
durch Vertreterinnen und Vertretern
von sieben beteiligten Institutionen
feierlich unterzeichnet. Die Betei-
ligten möchten mit der bilateralen
Partnerschaft die wissenschaftlichen
Beziehungen beider Länder intensi-
vieren. Durch Abkommen mit dem
Centre for Nanoscale BioPhotonics im
australischen Adelaide, der Univer-
sity of California und dem Institut
Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) im
indonesischen Surabaya wurde das
internationale Kooperationsnetzwerk
des Leibniz-IPHT im Sinne der Inter-
nationalisierungsstrategie gestärkt und
weiter ausgebaut.
» Insgesamt 14 Wissenschaftler-
innen und Wissenschaftler des
Leibniz-IPHT sowie der Friedrich-
Schiller-Universität Jena besuchten im
August die 25. International Conference
on Raman Spectroscopy (ICORS) in
Brasilien. In der begleitenden Indus-
trieausstellung präsentierte sich das
Institut mit einem eigenen Stand. Im
Rahmen der Konferenz veranstaltete das
Leibniz-IPHT in Kooperation mit dem
Deutschen Wissenschafts- und Inno-
vationshaus, São Paulo (DWIH-SP), der
Leibniz-Gemeinschaft, dem Forschungs-
verbund „Leibniz Gesundheitstechnolo-
gien“ und der Deutschen Forschungs-
gemeinschaft (DFG) einen Workshop
mit dem Ziel, mögliche zukünftige
Forschungsprojekte zu identifizieren.
» Als Partner in mehreren erfolgreich
gestarteten Projekten des europäischen
Horizon2020 Programms, knüpfte das
Leibniz-IPHT vergangenes Jahr wert-
volle wissenschaftliche Kontakte zu
Partnern aus Forschung und Industrie.
Die Themen der Forschungsprojekte
reichen von multimodaler Bildgebung
(MOON), über Point-of-Care Diagnostik
(MIB) bis hin zu künstlichen Nerven-
systemen aus Glasfasern (FINESSE).
» Um die optische Analyse von
biologischen Proben zu verbessern,
wurde am 1. Juli 2016 das „Jena
Biophotonic and Imaging Labora-
tory“ (www.bil-jena.de) ins Leben
gerufen. Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler erhalten damit einen
einzigartigen Zugang zu methoden-
übergreifenden, multimodalen Bildge-
bungsverfahren. Partner des Zentrums
sind neben dem Leibniz-IPHT die
Friedrich-Schiller-Universität Jena sowie
das Universitätsklinikum Jena. Das von
der DFG geförderte Zentrum steht For-
schungsinstituten, Firmen und Univer-
sitäten für Fragestellungen rund um die
biophotonische Analytik zur Verfügung.
» Seit April stärkt Prof. Ute Neu-
gebauer die Forschung rund um das
Thema spektroskopische Diagnostik
von Infektionen und Sepsis. Prof.
Neugebauer wurde gemeinsam von
der Friedrich-Schiller-Universität
(FSU) und dem Leibniz-IPHT zur
Professorin für Physikalische Che-
mie mit dem Schwerpunkt Klinisch-
Ausgezeichnetes Personal
Im vergangenen Jahr wurden viele
der herausragenden Leistungen
von Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern des Leibniz-IPHT
mit internationalen und nationalen
Preisen geehrt – darunter zahlreiche
Posterpreise für Doktorandinnen und
Doktoranden. Eine Auswahl:
Volker Deckert // Raman Award for
the most Innovative Technological
Development (ICORS 2016)
Torsten Frosch // Bunsen-Kirchhoff-
Preis für analytische Spektroskopie
(GDCh, DAAS)
Alexej Grjasnow, Mario Kanka, Rainer
Riesenberg // Thüringer Forschungspreis
in der Kategorie Angewandte Forschung
Thomas Henkel, Ute Neugebau
er, Jürgen Popp // Gold-Medaille
der iENA 2016 (68. Internationalen
Fachmesse für Ideen, Nürnberg)
Sandro Heuke // VAA-Stiftungspreis
2016 für herausragende Forschungs-
arbeiten (VAA-Stiftung)
Matthias Jäger // Senior Member der
Optical Society of America (OSA)
Guobin Jia, Jonathan Plentz // Silber-
Medaille der iENA 2016 (68. Internatio-
nalen Fachmesse für Ideen, Nürnberg)
Jürgen Popp // Aufnahme in das College
of Fellows des American Institute for Me-
dical and Biological Engineering (AIMBE)
Jürgen Popp // Pittsburgh Spectro-
scopy Award (PITTCON 2016)
Volkmar Schultze // Gold-Medaille
der iENA 2016 (68. Internationalen
Fachmesse für Ideen, Nürnberg)Prof. Volker Deckert bei der Verleihung des Raman Awards auf der International Conference on Raman Spectroscopy in Fortaleza, Brasilien
Im Themenschwerpunkt Sepsis berichtet die „Bild der Wissenschaft“ ausführlich über die Forschungsaktivitäten des Leibniz-IPHT sowie des Forschungsverbundes Leibniz-Gesundheitstechnologien
Feierliche Unterzeichnung einer gemeinsamen Erklärung zur engeren Zusammenarbeit zwischen brasilianischen und deutschen Partnern
Parlamentarischer Abend der Leibniz-Gemeinschaft in Zusammenarbeit mit dem Forschungsverbund Leibniz-Gesundheitstechnologie zum Thema Infektionsdiagnostik
» Mit zahlreichen wissenschaftlichen Ko-operationen baute das Leibniz-IPHT im vergangenen Jahr seine internationale Sicht-barkeit weiter aus. Dazu zählen die Mitar-beit in europaweiten Forschungsverbünden und Kooperationsabkommen mit Partnern
aus Brasilien, Indonesien und Australien. Auf nationaler Ebene festigte das Institut seine Zusammenarbeit mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industriepart-nern auf dem Gebiet der Biophotonik. Eine Auswahl von Ereignissen im Überblick:
Forschergruppe Nanooptik
Gezielte Wechselwirkung von Molekülen mit Licht
25 Jahre IPHT
» Dr. Jer-Shing Huang verfügt über ein nur wenige Nanometer großes Werkzeug: Nanoan-tennen. An den winzigen Antennen aus Metal-len oder Halbleitermaterialien bündelt er das eingestrahlte Licht in einem Bereich, dessen Ausdehnung unterhalb des Abbe-Limits liegt, der Auflösungsgrenze von etwa der halben Lichtwellenlänge. Damit kann er Wechselwir-kungen mit Molekülen intensivieren, die ohne die Nanoantennen nicht möglich oder nur sehr schwach wären. Seit dem 1. November 2016 leitet der Wissenschaftler Huang die neue Forschergruppe Nanooptik, die an der Schnittstelle zwischen Chemie, Physik, Optik und Mikro-Nanotechnologien arbeitet.
Die Gruppe um Huang untersucht und steuert die grund-
legenden Prozesse der Wechselwirkung von Licht mit Ma-
terie im Nanobereich. Über das Design der Antennenstruk-
turen kann er Intensität, Resonanzfrequenz, räumliche
Verteilung oder die Polarisation des Lichtfelds beeinflus-
sen. Hierbei stützt sich Jer-Shing Huang auf theoretische
Modellierungen mit denen er die Feldeigenschaften im
Voraus berechnen kann. Zur Erzeugung der komplexen
nanoskaligen Antennen greift die Forschergruppe auf Ver-
fahren der Mikro- und Nanotechnologie am Leibniz-IPHT
zurück. Gleichfalls bildet die Erforschung und Entwicklung
neuer Strukturierungstechniken einen Arbeitsschwerpunkt.
Zur Charakterisierung der Struktur-Funktions-Beziehungen
sowie der Wechselwirkungsprozesse nutzt das Forscher-
Team die umfangreiche Palette an spektroskopischen
Techniken des Leibniz-IPHT sowie eigene Methoden wie
die Zirkulardichroismus-Spektroskopie oder Fluoreszenzle-
bensdauerspektroskopie. Anwendungsgebiete der Nanoan-
tennen sind zum Beispiel die hochempfindliche Detektion
der molekularen Chiralität, welche die biologische und
therapeutische Aktivität von Medikamenten bestimmt.
Computerchips könnten in Zukunft Nanoantennen als eine
neue Generation photonischer integrierter Schaltkreise
enthalten und damit noch schneller werden. Weiterhin
stellen die Nanostrukturen neuartige Werkzeuge für die
Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie oder für die
Manipulation von Objekten mit Hilfe von Licht dar.
Bevor Jer-Shing Huang ans Leibniz-IPHT kam, forschte
und lehrte er am Institut für Chemie der renommierten
National Tsing Hua Universität (NTHU) in Taiwan auf dem
Gebiet der nanoskaligen Licht-Materie-Wechselwirkung.
Er erhielt unter anderem den Preis der Universität für
ausgezeichnete Lehre und Forschung sowie das ange-
sehene „Gold-Jade-Fellowship“, mit dem hervorragende
Grundlagenforschung junger Wissenschaftler in Taiwan
ausgezeichnet wird. Im Sommer 2016 konnte sich Huang
als Gastprofessor der Abbe School of Photonics an der
Friedrich-Schiller-Universität Jena bereits von den Vorteilen
des Forschungsstandorts überzeugen. „Das Angebot die
Stelle in Jena anzutreten, habe ich sehr gerne angenom-
men.“ betont Huang, der ein weiteres Angebot zu Gunsten
des Leibniz-IPHT ausschlug. „Zum einen fühle ich mich
durch meine Familie mit Deutschland sehr verbunden. Zum
anderen finde ich hier hervorragende Arbeitsbedingungen
für meine Forschung. Jena ist ein weltklasse Forschungs-
standort mit einer langen Geschichte im Bereich der Optik
und ich bin stolz, in Zukunft ein Teil davon zu sein.“
» Gemeinsam mit Gästen aus Wissenschaft, Wirt schaft und Politik feierte das Leibniz-Institut für Photonische Technologien im Januar sein 25-jähriges Institutsjubiläum mit einem Festakt im Volksbad Jena. Im Jahr 1992 zunächst unter dem Namen Institut für
Physikalische Hochtechnologie gegründet, ist das Institut heute unter dem Namen Leibniz-Institut für Photonsiche Technologien als Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft fest in der nationalen und internationalen Forschungs-landschaft verankert.
Mit dem klar definierten Forschungs-
profil „Photonics for Life“ und dem
Anspruch Forschung von den Grundla-
gen bis hin zu Verfahren und Syste-
men für die Anwendung zu betreiben,
übernimmt das Leibniz-IPHT eine
zentrale Rolle bei der Erforschung von
photonischen Lösungen für Fragestel-
lungen aus den Bereichen Gesundheit,
Medizin, Umwelt und Sicherheit.
Zu den wissenschaftlichen Erfolgen
des Instituts zählen zum Beispiel
hochempfindliche Sensoren, die die
Oberflächentemperatur des Mars mes-
sen, die Etablierung spektroskopischer
Verfahren zur schnellen Vor-Ort Infek-
tionsdiagnostik, die linsenlose Mikros-
kopie, die THz-Kamera als Alternative
zu den umstrittenen Nacktscannern
sowie Verfahren zur Herstellung von
Spezialfasern für Hochleistungslaser.
Prof. Jürgen Popp, der das Institut
seit 2006 leitet, bekräftigt: „Unsere
Erfolge verdanken wir sowohl der
herausragenden technologischen
Ausstattung, vor allem der modernen
Fasertechnologie und Mikro/Nanotech-
nologie, als auch der wissenschaftli-
chen Expertise der Mitarbeiterinnen
und Mitarbeiter des Instituts. Ihre
Motivation und ihr Engagement
machen das IPHT auch in Zukunft zu
einem Ort, an dem Ideen geboren
werden.“ Zur Geburtstagsfeier ins
Volksbad kamen 300 Gäste, darunter
zahlreiche Vertreter aus Forschung,
Wirtschaft und Politik wie Thüringens
Ministerpräsident Bodo Ramelow, der
Präsident der Leibniz-Gemeinschaft
Prof. Matthias Kleiner und Jenas Ober-
bürgermeister Dr. Albrecht Schröter.
Einen umfassenden Überblick über die
Forschungsaktivitäten der vergange-
nen 25 Jahre gibt die Jubiläumsaus-
gabe „25 Jahre Leibniz-Institut für
Photonische Technologien“.
Dr. Jer-Shing Huang im Labor in Taiwan
Gäste aus Politik und Forschung Grußwort von Bodo Ramelow
Plasmonische Dopplerstruktur
Die Band JazzFriends
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Mikro- und Nano-technologien des Reinraums
» Die modernen mikro- und nanotechnologischen Verfahren und Prozesse des Leibniz-IPHT bilden die technologische Basis, um die zum Teil weltweit einzigartigen optischen Materialien, Sensoren und Bauelemente am Institut zu realisieren.
Die umfassende Technologiekette am Institut reicht von verschie-
denen Strukturierungstechniken, Dünnschichttechnologien, Selbstor-
ganisationsverfahren bis hin zur Mikrosystemtechnik. Die folgenden
Beiträge geben einen Überblick wie mit Mikro- und Nanotechnologi-
en beispielsweise Thermosensoren, leistungsfähige optische Glas-
fasersensoren, Nanopartikel aus Gold, Silber oder Silizium sowie
mikrofluidische Bauelemente für die unterschiedlichsten Anwen-
dungsgebiete hergestellt werden.
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Mikro- und Nanotechnologien des Reinraums
A.1 Beschichtung mit Resist (Spin- oder Sprühbelackung)
A.2Direktbelichtung und Entwicklung des Resists
A.3Vakuum-Beschichtung (Bedampfen oder Sputtern)
A.4Entfernen des Resists (Lift-Off-Prozess)
B.1Beschichtung mit Funktionsschicht (Sputtern, B edampfen, Chemische Gasphasenabschei-dung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD)
B.2Beschichtungmit Resist
B.3Belichtung und Entwicklung des Resists
B.4Ätzen (nasschemisch oder Plasma)
B.5Entfernen des Resists (Strippen)
» Mit modernsten Lithographietechniken und Methoden
der Selbst organisation werden komplexe funktionelle
Mikro- und Nanostrukturen für Detektoren, plasmonische
Strukturen, mikrofluidische Lab-on-a-Chip-Systeme, mikro-
und nanooptische Bauelemente und photonische Systeme
erforscht und hergestellt. Ein besonderer Ort am Leibniz-
IPHT ist der rund 1.500 m2 große Reinraum. Die 730 m2
Weißfläche werden gemeinsam mit der Friedrich-Schiller-
Universität und dem Fraunhofer IOF genutzt. Im technolo-
gischen Herz des Institutes kommt eine Kombination von
Dünnschichttechnologie, Nanolithographie und Mikrosys-
temtechnik zum Einsatz, um innovative Struktur- und
Funktionselemente für biophotonische und photonische
Anwen dungen aus nahezu allen Abteilungen zu schaffen.
Resistbeschichtung in der Photolithographie Membranwafer
Vom Siliziumsubstrat bis zum strukturierten Wafer
2.Rein -raum -etage
1.Rein -raum -etage
Mikro- und Nanotechnologie
Vom Substrat bis zur Funktionsstruktur
Substrat (Si)
Photoresist
Funktionsschicht
Chrommaske
Substrat (Si)
Photoresist
Funktionsschicht
Entwicklerbad
A.1 Beschichtung mit Resist (Spin- oder Sprühbelackung)
A.2 Direktbelichtung und Entwicklung des Resists
mit Laserlithographie oder Elektronen-strahllithographie (Strukturgrößen bis 0,8 µm bzw. 0,03 µm)
B.1 Beschichtung mit Funktionsschicht (Sputtern, B edampfen, Chemische Gas-phasenabscheidung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD)
B.2 Beschichtungmit Resist
B.3 Belichtung und Entwicklung des Resists
mit Maske (Mask-Aligner) oder Wafer-Stepper (Step and Repeat), (Struktur-größen bis 2 µm bzw. 0,8 µm)
Verschiedene Photo-Resiste
ALD-Anlage Mask Aligner
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Substrat- / Maskensäuberung
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Resistbeschichtung Spincoating Entstehung eines homogenen Resistfilmes Trocknung
Substrat (Si)
Photoresist
Entwicklerbad
Substrat (Si) Substrat (Si)
Photoresist
Substrat (Si)
Funktionsschicht
Substrat (Si)
Photoresist
Substrat (Si)
Funktionsschicht
Photoresist
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Mikro- und Nanotechnologie
Vom Substrat bis zur Funktionsstruktur
Substrat (Si)
Photoresist
Funktionsschicht
Substrat (Si)
Photoresist
Funktionsschicht
Substrat (Si)
Funktionsschicht
Au, Ag, Al, SiO2, Si
3N
4, Al
2O
3, TiO
2, NbN, AlN
Al, Nb, Au, Ta, NiCr, Si, SiO
2, C, ...
Substrat (Si)
Photoresist
VakuumSputtern
A.3 Vakuum-Beschichtung (Bedampfen oder Sputtern)
A.4 Entfernen des Resists (Lift-Off-Prozess)
B.4 Ätzen(nasschemisch oder Plasma)
B.5 Entfernen des Resists (Strippen)
Au, Ag, Al, Ti, Pt, MgO, ...
Substrat (Si)
Photoresist
VakuumBedampfen
Sichtkontrolle nach Lift-Off Sichtkontrolle eines geätzten 100 mm Wafers
Substrat (Si)
Photoresist
Substrat (Si)
Photoresist
Substrat (Si)
Au, Ag, Al, Ti, Pt, MgO, Nb, Ta, NiCr, Si, SiO2, C
Nanolithographie auf Waferlevel
Die Elektronenstrahl- Charakterprojektion
» Chipbasierte plasmonisch aktive Oberflächen für bio- und chemosensorische Anwendungen bestehen aus künstlich hergestellten, meist periodischen Metallstrukturen. Die Größe der Strukturen liegt weit unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Oft sind sie kleiner als 100 Nanometer und weisen Gitterperioden bis hinab zu 100 Nanometer auf.
Elektronenstrahl-Lithographie: Vergleich der Schreibprinzipien
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Mit Hilfe der Elektronenstrahllithographie
lassen sich kleinen Strukturen auf einer
Waferoberfläche erzeugen, jedoch stößt
die Technik bei der Belichtung großflä-
chiger Areale an ihre Grenzen. Für die
Bio- und Chemosensorik mittels ober-
flächenverstärkter Raman-Spektroskopie
(SERS) werden regelmäßige plasmoni-
sche Nanostrukturen auf einer Fläche
im Quadratmillimeterbereich benötigt.
Herkömmliche Anlagen zur Elektro-
nenstrahllithographie, die einen feinen
Gaußschen Elektronenstrahl besitzen,
benötigen zur Erzeugung der Strukturen
Tage oder Wochen. Schneller als das
Belichten mit einem einzelnen Strahl ist
die Elektronenstrahllithographie mit Hilfe
des variablen Formstrahls, der beispiels-
weise ein kleines Rechteck mit einem
einzigen „Schuss“ belichtet. Komplexe,
nicht-achsenparallele Strukturen, müs-
sen durch Rechteckzerlegung angenä-
hert werden und erfordern auch mit
dieser Technik hohe Belichtungszeiten.
Die am Beutenberg Campus verfügba-
re Elektronenstrahlbelichtungsanlage
Vistec SB 350 OS, gemeinsam genutzt
durch das Fraunhofer Institut IOF
(Anlagenstandort), das Institut für An-
gewandte Physik IAP der FSU Jena und
dem Leibniz-Institut für Photonische
Technologien IPHT, arbeitet nach dem
Prinzip des „variablen Formstrahls“. Sie
ist zudem um eine in der Forschungs-
landschaft nahezu einzigartige Technik,
die Charakterprojektion, erweitert. Diese
reduziert den bisher hohen Zeitaufwand
bei der Belichtung komplexer geomet-
rischer Strukturen drastisch. Wie eine
Blende werden mikrotechnologisch
hergestellte Durchstrahlungsmasken in
den Strahlengang des Belichtungstrahls
eingefügt. Pro Belichtung überstreicht
die Maske eine Fläche von 2,5 x 2,5 Mi-
krometern auf dem Wafer und erlaubt
damit die parallele Belichtung vieler
Strukturen. Die Blenden existieren in
mehr als 500 verschiedenen Struktur-
geometrien, den Charakteren. Indem
die Charaktere miteinander oder mit
einem Formstrahl kombiniert werden,
kann eine hohe Vielfalt an komplexen
Mustern reproduzierbar auf der Wa-
feroberfläche erzeugt werden.
Mit der Charakter-Projektionstechnik
reduziert sich die Belichtungszeit für
einen kompletten Wafer mit Chips
bestehend aus 250 Nanometer gro-
ßen 2D-Gittern von 60 Stunden auf 3
Stunden. Durch die kurze Schreibzeit
verringern sich zeitabhängige Störein-
flüsse was zu einer höheren Qualität
und Homogenität der erzeugten
Strukturen führt.
Mehr zur Lebensmittelanalytik mittels
Raman-Spektroskopie erfahren Sie
in unserer App: „Entwicklung von
Lebensmittelanalyse-Anwendungen
basierend auf oberflächenverstärkter
Raman-Spektroskopie“
Spurendetektion verbotener Substanzen in Lebensmitteln mittels SERS-Substraten
Gold-Bowties auf Si als Templates für TopUp-SERS, Periode 400 nm
100 mm Wafer mit SERS-Strukturen (Gitterfläche 550 mm2, Periode 250 nm)
Gauß-Strahl (GB)
Loch-Aperture
Schreibmode:Schreibgeschwindigkeit:
schnelllangsam
seriellschnell
Quasi-Parallelsehr schnell
Winkel-blenden
Apertur-Tisch mit Charakterblenden
Flexibel durch Kombination von
VSB- und CP-Mode
Variabler Form-Strahl (VSB) Variabler Form-Strahl mitCharakter-Projektion (CP)
Que
lle: D
LR; h
ttp:
//w
ww
.dlr.
de
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Thermosensoren – Aufbruch in neue Welten
werden im Gegensatz zum üblichen
Tiefenätzen (BULK micromachining)
die freistehenden filigranen Empfän-
gerstrukturen durch selektive Be-
schichtungs- und Ätzprozesse auf der
Oberfläche des Siliziumträgers erzeugt.
Die zukünftig zu adressierenden
Anwendungsgebiete wie die mobile
Gasanalytik erfordern neben der Hoch-
detektivität der Sensoren leistungs-
fähige miniaturisierte Infrarotquellen.
Beide Bauelemente bilden eine Gas-
messzelle, die erfasst, welches und
wieviel Gas sich zwischen Lichtquelle
und Sensor befindet. Zur Auswertung
vergleicht eine Smartphone-App die
Messwerte mit Spektren aus einer
online-Datenbank. Diese Geräte bzw.
Module sollen mit regionalen mittel-
ständigen Industriepartnern zusam-
men entwickelt werden und bilden die
Grundlage für tragbare hochempfindli-
che Gasanalysesysteme.
Die Thermosensoren funktionieren
nach dem thermoelektrischen Prinzip.
Dabei empfangen die Sensoren Inf-
rarotstrahlung, also Wärmestrahlung,
die sie in eine sehr kleine elektrische
Spannung umwandeln. Erst durch
Verbindung vieler Thermoelemente zu
einer sogenannten Thermosäule wird
ein mit Standardelektronik auswert-
bares Spannungssignal erzeugt. Das
Sensordesign wird zunächst durch
thermische und mechanische Simu-
lationsrechnungen optimiert. Nach
anschließender Layoutprozessie-
rung entstehen die miniaturisierten
Thermosäulen auf Siliziumsubstraten
im Reinraum mittels klassischer
Mikrotechnologien. Um zukünftige
Anforderungen beispielsweise für
miniaturisierte Gasmessgeräte zu
erfüllen, erforschen die Wissenschaft-
lerinnen und Wissenschaftler neue
Herstellungsverfahren für die Senso-
ren. Mittels Oberflächenmikromechanik
(engl. surface micromachining – SMM)
Hauchdünne freitragende Membranen – das Herzstück der Thermosensoren
Bsp. TIMERS-Sensoren:
• Materialbasis Thermoelement: BiSb, Sb
• Detektorformat: 5 x 64 Pixel, diskret auslesbar
• Pixelgröße: 250 μm x 270 μm
• Absorber: breitbandig absorbierender Rußabsorber (Ag)
• Einsatztemperatur: 170-300 K (Temperaturbereich für die geplante Welt-
raummission; Einsatztemperatur auf der Erde bis 180 °C)
• Wellenlängenbereich: 8 bis 200 µm (Weltraum, mit Ag-Ruß empfindlich
zwischen 0,4 und 20 (40) µm Wellenlänge)
• Wafer: 100 mm Silizium-Wafer
• Membrantyp stressangepasstes Siliziumnitrid
• Chip Abmessungen Breite: 12,1 mm; Länge: 26,6 mm
• Empfängerfläche 190 x 190 μm²
» Seit mehr als 50 Jahren entwickeln Mitar-beiterinnen und Mitarbeiter am Leibniz-IPHT robuste, miniaturisierte Strahlungssensoren mit hoher Detektivität. In Raumfahrtmissi-onen, die die Technologietreiber darstellen, messen die Thermopilesensoren u.a. berüh-rungslos die Oberflächentemperatur von
Kometen oder Planeten. Neben dem Weltraum liegen die Einsatzgebiete der Zukunft haupt-sächlich auf der Erde. Integriert in kleine Messgeräte könnten die Sensoren zum Bei-spiel für die Gasanalyse mit Mobiltele fonen oder tragbaren Zusatzgeräten Einzug in unseren Alltag halten.
Freitragende Siliziumnitrid-Membran in Form der Spiralstruktur geätzt (REM)
Simulierte Temperaturverteilung innerhalb der Empfängerfläche (Temperaturdifferenz ca. 0,11 K) der Spiralstruktur
Schematische Darstellung freitragender sowie strukturierter Siliziumnitrid-Membranen, Die Freistellung erfolgt durch Tiefenätzen mit Lauge.
» Sie sind integraler Bestandteil hochemp-findlicher Temperatursensoren und neuer ul-traschneller Einzelphotonendetektoren oder dienen als Schutzschichten für Nanostruktu-ren: wenige Nanometer dünne Schichten aus Aluminiumnitrid, Niobnitrid, Aluminium-
oxid, Titandioxid oder Siliziumdioxid. Mit der Atomlagenabscheidung (ALD, engl.: Atomic layer deposition) gelingt es die hauchdünnen Schichten gleichmäßig und nahezu defektfrei auf Oberflächen abzuscheiden.
in einem selbstlimitierenden Prozess
mit der reaktiven Oberfläche des Sub-
strates zur ersten Moleküllage. Die
funktionellen Gruppen des Präkursors
sind dabei so konzipiert, dass der
Präkursor nicht mit sich selbst oder
mit entstehenden Reaktionsprodukten
reagiert. Nicht-gebundene Reste des
erstes Präkursors lassen sich durch
Spülen des Reaktors mit Inertgasen
entfernen. Der anschließend einge-
lassene zweite Präkursor reagiert,
unter Abspaltung der funktionellen
Gruppen der bereits gebundenen
Monolage, zum zweiten Segment der
gewünschten Schichtzusammenset-
zung. Abschließend wird der Reaktor
nochmals mit Inertgasen gespült.
Durch die Anzahl der Prozesszyklen
und die Wahl der Präkursoren ist es
möglich, das Dickenwachstum und
die chemische Zusammensetzung der
dünnen Schichten exakt und einfach
zu steuern. Bei der klassischen ALD
erfolgt die Aktivierung des Substrats
durch hohe Substrattemperaturen bis
etwa 500 Grad Celsius. Besonders bei
temperaturempfindlichen Substraten
Am Leibniz-IPHT ist das ALD-Ver-
fahren eine Schlüsseltechnologie, um
neue Anwendungen zu realisieren.
So konnten erstmalig hochauflösende
supraleitende Einzelphotonenzähler für
die Tieftemperatursensorik mit einer
etwa 5 Nanometer dünnen polykris-
tallinen Niobnitridschicht hergestellt
werden. Weiterhin werden dünne
Schichten aus Siliziumdioxid und
Titandioxid als dielektrische Funkti-
onsschichten für Metamaterialien oder
als Schutzschicht für plasmonische
Nanopartikel untersucht.
Ähnlich der Chemischen Gasphasen-
abscheidung (CVD, engl. Chemical
Vapor Deposition), werden bei der
Atomlagenabscheidung in einem
Reaktor chemische Verbindungen
auf der Oberfläche eines Substrats
abgeschieden. Die dafür nötigen
Reaktanden, auch Präkursoren ge-
nannt, gelangen im Gegensatz zur
CVD abwechselnd nacheinander in
den Reaktor. Dadurch ergibt sich ein
zyklischer Prozessablauf, der meist
aus vier oder mehr Einzelschritten
besteht: Der erste Präkursor reagiert
ermöglicht die Weiterentwicklung zum
Plasma-gestützten ALD-Prozess die
Abscheidung von Schichten bei Tem-
peraturen weit unter 100 Grad Celsius.
Gegenüber anderen Abscheidever-
fahren wie beispielsweise Sputtern
erlaubt die ALD eine sehr einheitliche
Beschichtung großflächiger Substrate
ohne Löcher oder größere Defektstel-
len. Erhabene oder tiefe Strukturen
mit hohen Aspektverhältnissen,
die sich mit üblichen Verfahren nur
ungleichmäßig beschichten lassen,
können aufgrund der selbstlimitieren-
den Präkursorenreaktion mit der ALD
strukturtreu beschichtet werden. Ein
weiterer Vorteil: Durch den separaten
Einlass der Präkursoren in den Reaktor
lassen sich in mehrstufigen Prozessen
komplexere Schichtzusammensetzun-
gen realisieren.
Wie man nanometerdünne Niobnit-
ridschichten zur schnellen Einzelpho-
tonendetektion nutzt erfahren Sie in
unserer App: „Eigenschaften nano-
meterdünner Niobnitridschichten für
ultraschnelle Einzelphotondetektion“
Atomlagenabscheidung
Schicht für Schicht zur Funktion
Supraleitende Niobnitrid-Spule erzeugt durch ALD / Elektronenstrahllithographie
Probenhandling an der ALD-Beschichtungsanlage in reiner Stickstoffatmosphäre im Reinraum des IPHT
Konforme ALD Multilayer aus Al2O
3 und TiO
2
Silber-Siliziumdioxid Hybridstruktur, hergestellt durch metastabile ALD
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» Künstliche Atome mit ihren besonderen physikalischen Eigenschaften sind ausge-zeichnete Forschungsobjekte, um grundle-gende quantenmechanische Effekte zu un-tersuchen. Die am Leibniz-IPHT etablierten mikro- und nanotechnologischen Verfahren ermöglichen die reproduzierbare Herstellung künstlicher Atome, die zur Grundlagenfor-
schung auf den Gebieten der Licht-Materie-Wechselwirkung, der Quantenoptik, der Detektion einzelner Photonen im Mikrowel-lenbereich, neuer Metamaterialien und des Quantencomputings dienen. Die grundlegen Erkenntnissen aus diesen Bereichen fließen zum Beispiel in neue hochempfindliche opti-sche Detektionsverfahren am Institut ein.
Obwohl sie viel größer als Atome sind,
folgen mikrostrukturierte Schaltkreise
aus supraleitenden Materialien den Ge-
setzen der Quantenmechanik. Wie ihre
natürlichen Vorbilder besitzen die oft als
künstliche Atome bezeichneten Schalt-
kreise diskrete, individuell adressierbare
Energieniveaus und können daher Licht
einer bestimmten Wellenlänge absor-
bieren. Ein großer Vorteil künstlicher
Atome ist, dass Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler die Lage der
Energieniveaus, ihre Wechselwirkung
untereinander und ihre Wechselwirkung
mit dem eingestrahlten Licht durch
elektrische oder magnetische Felder
exakt kontrollieren und variieren können.
Gleichzeitig führt die makroskopische
Ausdehnung zu schnelleren Zerfallsra-
ten der atomaren Anregungen. Diese
werden durch ein sehr viel größeres
Dipolmoment und dadurch schnellere
Licht-Atom-Wechselwirkung aufgewo-
gen. Aufgrund der geringen Aufspaltung
ihrer Energieniveaus absorbieren die
Supraleiterschaltkreise, Strahlung im
Mikrowellenbereich, die etwa sechs
Größenordnungen langwelliger als die
optischen Übergänge in Atomen und
Molekülen ist. Um einen thermisch
angeregten Übergang zwischen den
Energieniveaus zu verhindern, müssen
experimentelle Anordnungen zur Ein-
zelphotonendetektion auf Temperaturen
nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt
werden. Für die Einzelphotonendetek-
tion wird ein künstliches Atom z. B. an
eine supraleitende Kavität gekoppelt.
Durch Anregung in einem elektroma-
gnetischen Feld bildet sich in diesem
Hohlraum unter Resonanzbedingungen
eine stehende Welle. Das gleiche
Prinzip bringt Holzblasinstrumente zum
Klingen. Im Unterscheid zum hörbaren
Ton eines Instruments liegt die Reso-
nanzwellenlänge der supraleitenden Ka-
vität im Mikrowellenbereich. Schon die
Absorption eines einzelnen Photons im
künstlichen Atom verändert die Trans-
missionseigenschaften des Resonators.
Dieser Effekt ist messbar und dient dem
Nachweis des absorbierten Photons.
Die physikalischen Eigenschaften
eines künstlichen Atoms basieren
auf quantenmechanischen Effekten
der Supraleitung und des Joseph-
soneffektes. Der supraleitende Ring
aus Aluminium, unterbrochen durch
mehrere sub-mikron große Joseph-
Supraleitende Nanoschaltkreise als künstliche Atome
sonkontakte aus Aluminiumoxid, wird
mit Hilfe nano- und mikrotechnolo-
gischer Beschichtungsverfahren auf
vorgefertigte Chips aufgebracht. Diese
enthalten zuvor mikrostrukturierte Zu-
und Kontrollleitungen. Die Anzahl der
künstlichen Atome und ihre Anordnung
auf einem Chip ist variabel. So dient
beispielsweise das Design im Bild
unten links dem Nachweis der kollek-
tiven Wechselwirkung von 20 Atomen
mit elektromagnetischer Strahlung.
Über die geometrische Anordnung
der Atome lässt sich deren Interakti-
on gezielt steuern. Diese Strukturen
stellen den ersten Schritt hin zu neuen
Quantenmetamterialien dar.
Der Chip wird im ganz links gezeig-
ten Kühlsystem auf Temperaturen
von wenigen Millikelvin über dem
absoluten Nullpunkt abgekühlt. Bei
diesen Temperaturen gewinnt die
Quantennatur der Mikrowellenstrah-
lung an Bedeutung. Erst dann können
die Wissenschaftler die Effekte der
Wechselwirkung von Licht mit den
künstlichen Atomen untersuchen.
Mehr über Einzelphotonendetektoren
im Mikrowellenbereich lesen Sie
unserer App: „Einzelphotonendetekto-
ren im Mikrowellenbereich“
Zwanzig künstliche Atome im Zentrum einer supraleitenden Kavität. Kontaktierter Chip mit künstlichen Atomen
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Unterste Temperaturstufe des Kühlsystems, in dem Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung in künstlichen Atomen gemessen werden.
» Top-down oder Bottom-up Verfahren ermög-lichen es nanoskaliges Silizium herzustellen, dessen chemisch-physikalische Eigenschaften sich von denen des makroskopischen Feststoffs unterscheidet. Nanostrukturiertes Silizium auf Glasträgern stellt die Materialgrundlage für neue preiswerte und effizienten Dünnschicht-solarzellen dar, die in Zukunft die konventio-nelle Siliziumphotovoltaik ablösen könnten. Mit den am Leibniz-IPHT etablierten Techno-logien zur Herstellung von Siliziumnanodräh-ten erschließen sich immer neue Anwendung jenseits der Photovoltaik. Das Einsatzspektrum reicht von biophotonischen Nanostrukturen für die Bereiche Medizin und Gesundheits-technik bis hin zu neuen Sensor- und Detek-tormaterialien für die Grundlagenforschung. In einem Innovationsprojekt erforschen Wis-
senschaftlerinnen und Wissenschaftler fach-übergreifend das antimikrobielle Potential von Siliziumnanodraht-Teppichen. Mit Blick auf Antibiotika-resistente Erreger, könnten die Strukturen als neue antibakterielle Oberflä-chenbeschichtung für Implantate oder Oberflä-chen in Operationssälen dienen. Als Material für hochempfindliche Strahlungssensoren und Partikeldetektoren, Marker für die intrazellu-läre multi-modale Bildgebung und Krebsthe-ranostika findet nanostrukturiertes Silizium Verwendung in der Grundlagenforschung. Zur Herstellung von einheitlich strukturierten Nanodraht-Arrays, Nanopartikeln und dichten Teppichen aus einkristallinen Siliziumdrähten stehen am Leibniz-IPHT moderne nano- und mikrotechnologische Verfahren zur Verfügung.
Top-down oder Bottom-up:
Mit Nanotechnologie zu Siliziumnanostrukturen
Bottom-up: VLS-MethodeBeim Gas-Flüssig-Fest-Verfahren (engl. Vapor-Liquid-Solid
– VLS), einem Bottom-up-Prozess, wachsen einkristal-
line Nanodrähte aus Silizium auf einem Trägersubstrat.
Dafür wird eine zwei Nanometer dünne Goldschicht durch
Sputtern auf einen mit Silizium beschichteten Träger
aufgebracht. Beim Erhitzen des Trägers auf etwa 600
Grad Celsius in einem Reaktor zur Gasphasenabscheidung
schmilzt das Gold und bildet kleine Tröpfchen in Legie-
rung mit dem Silizium aus der darunterliegenden Schicht.
Anschließend wird Silan, eine gasförmige Siliziumverbin-
dung, in den Reaktor eingelassen, das an den nur wenigen
Nanometer großen flüssigen Goldtröpfchen adsorbiert.
Diese beschleunigen den Zersetzungsprozess des Silangas
zu elementarem Silizium. An Kristallkeimen in der Silizium-
schicht wachsen an den Stellen wo sich die Goldtröpfchen
befinden kristalline Drähte aus Silizium solange Silangas
zur Verfügung steht. Es entstehen eindimensionale Na-
nostrukturen deren Durchmesser und Position durch den
verwendeten Metallkatalysator bestimmt werden. Dieser
wird nach Abschluss des Wachstums aufgelöst.
Siliziumnanodrähte
Aufgrund ihrer Struktur und der da-
raus resultierenden Lichtstreuung
absorbieren Nanodrähte aus Silizium
im Vergleich zu Siliziumdünnschich-
ten deutlich mehr Licht, besonders
im infraroten Wellenlängenbereich.
Gleichzeitig besitzen sie hervorragen-
de Antireflexionseigenschaften. Diese
Vorteile nutzen Dr. Guobin Jia und Dr.
Jonathan Plentz gezielt, um die Effi-
zienz von Dünnschichtsolarzellen zu
erhöhen. Die IPHT-Wissenschaftler der
Arbeitsgruppe Photovoltaische Syste-
me erforschen verschiedene Bottom-
up und Top-down-Ansätze mit denen
sich die Nanostrukturen auf unter-
schiedlichen Träger erzeugen lassen.
Kostengünstige Trägermaterialien wie
Glas und skalierbare, großtechnisch
relevante Herstellungsverfahren sollen
nanostrukturierte Solarzellen zu einer
wettbewerbsfähigen Alternative zu
Wafersolarzellen machen.
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Beim Erhitzen auf etwa 600 Grad Celsius bilden sich winzige Goldtröpfchen.
Träger
Träger Träger
Träger
Silizium
Träger
Silizium
Träger
Auftragen einer dünnen Goldschicht
Zersetzung von Silangas zu Silizium. An den Goldtröpfchen wachsen Siliziumnanodrähte.
Entfernen des Goldes
Im Gegensatz zum Bottom-up-Prozess werden die Nano-
strukturen beim Top-down-Verfahren aus einer Silizium-
schicht herausgeätzt. Dafür kommen neben Siliziumwafern,
hauptsächlich Siliziumdünnschichten auf Glasträgern zum
Einsatz. Zur Nanostrukturierung wird die Schicht in eine
Lösung aus Flusssäure und Silbernitrat getaucht. Kommt
das Silizium mit der Lösung in Kontakt, bilden sich zufällig
verteilte Silbernanopartikel auf der Oberfläche. An den
Stellen an denen sich die Nanopartikel befinden, katalysie-
ren sie die Reaktion des elementaren Siliziums zu Silizium-
dioxid. Die Flusssäure in der Lösung ätzt das Siliziumdioxid
aus der Schicht heraus. Infolge der gleichzeitig ablaufen-
den Oxidations- und Ätzprozesse entstehen die mehrere 10
Mikrometer langen Siliziumdrähte. Durch die zufällige An-
ordnung der Silbernanopartikel auf der Oberfläche, bilden
sie dichte, unregelmäßige Teppiche.
Dieser Prozess dient zur Herstellung photolumineszender
Siliziumnanopartikel, die im Rahmen des transnationalen
„NanoPhoto“ Netzwerks unter Koordination von Dr. Vladi-
mir Sivakov seit kurzem als potentielle Krebstheranostika
erforscht werden. Um die hoch porösen Siliziumnanoparti-
kel mit Abmessungen kleiner 100 Nanometer zu erzeugen,
werden die Siliziumnanodrähte nach Ende des Ätzpro-
zesses durch Ultraschall zerkleinert. Aufgrund der großen
Oberfläche und der rot-orange-farbenen Photolumineszenz
der Siliziumnanopartikel eignen sich diese als Kontrastmit-
tel sowie als Vehikel für verschiedene Krebstherapeutika.
Geordnete Arrays: Nanosphärenlithographie und nasschemisches Ätzen
Mit einer Erweiterung des Verfahrens, der Nanosphären-
Lithographie, können wohldefinierte und geordnete Arrays
aus Siliziumdrähten erzeugt werden. Exakt angeordnete
Polymerkügelchen auf der Oberfläche des Siliziums dienen
als Maske, durch die das Substrat mit Silber bedampft wird.
In den Zwischenräumen der Nanosphären bildet das abge-
schiedene Silber regelmäßige Strukturen auf der Oberfläche
der Siliziumschicht. Nach Entfernen der Polymerkügelchen
stehen sie als Katalysator für den Metall-gestützten Ätzpro-
zess zur Verfügung. Über die Kugelgeometrie lässt sich der
Abstand und Durchmesser der Siliziumnanodrähte einstellen.
Für beiden Varianten des Top-down-Verfahrens gilt: je
länger der Ätzprozess andauert, desto länger sind die ent-
stehenden Siliziumnanodrähte. Mit entsprechenden Proto-
kollen lassen sich Nanostrukturen mit Aspektverhältnissen
größer 100 herstellen, beispielsweise Arrays in denen die
Abstände zwischen einzelnen 26 µm langen Siliziumdräh-
ten nur etwa 200 nm betragen.
Eine Anwendung des nanostrukturierten Siliziums sind
innovative Hochleistungsbildsensoren. Mehr dazu lesen Sie
in unserer App.
Top-down: Metall-gestütztes nasschemisches Ätzen
Siliziumnanopartikel leuchten unter ultraviolettem Licht rot.
Einheitliche Drähte aus Silizium erzeugt durch Nanosphärenlithographie
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Träger
Träger
Die Silbernanopartikel werden anschließend aufgelöst. Zurück bleiben Siliziumnanodrähte.
Träger
Silizium
Silbernanopartikel
In einer Lösung aus Flusssäure und Silbernitrat bilden sich Silbernanopartikel
auf dem Silizium.
Träger
Silizium
Träger
Silizium
Träger
Ablösen der Nanopartikel
Bedampfen mit Silber
Metallgestützter Ätzprozess
Nach Entfernen des Silbers bleiben gleichmä-ßig angeordnete Siliziumnanodrähte zurück.
Träger
Silizium
Polystyrolnanopartikel
Träger
Silizium
Träger
Aufbringen einer einzelnen Lage Polystyrolnanopartikel
Träger
Silizium
Träger
Silizium
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Mikrostrukturierte optische Fasern
» Mikrostrukturierte Glasfasern besitzen aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigen-schaften großes Zukunftspotential für den Einsatz in Laser- und Verstärkeranwendungen sowie für sensoranalytische Aufgabenstellun-gen im Bereich der Biomedizin- und Umwelt-technik. Die Arbeitsgruppe Optische Fasertech-nologie verfügt zur Herstellung der optischen
Spezialfasern über die komplette Technologie-kette am Leibniz-IPHT. Neben verschiedenen Materialien und Materialzusammensetzun-gen, die die Anwendungsbereiche der opti-schen Fasern erweitern, erforscht das Team unterschiedliche Herstellungstechnologien, um Fasern mit spezifische Struktur- und Dotie-rungseigenschaften zu erzeugen. gende Ziehschritt überführt das lose Kapillargebilde dieser
Preform durch lokale Verschmelzungen in eine kompakte
Sekundärpreform, dem Cane. Bei diesem Ziehprozess lässt
sich mittels Unterdruck steuern, ob die Glaskapillaren in
der Preform nur punktuell oder flächig miteinander und mit
dem umgebenden Mantelrohr verschmelzen. Da sich die
damit möglichen Strukturvariationen im Cane auch auf die
finale Faserstruktur auswirken, ist der erste Ziehschritt ein
zusätzliches Mittel für die anwendungsorientierte Faser-
modifizierung. Die gewünschte Fasermikrostruktur entsteht
schließlich beim Verziehen des Cane zur Faser. Über die
Wahl der Druckbedingungen während des Ziehprozesses
ist eine weitere Modifizierung der Faserstruktur möglich.
Bei der „passiven“ Druckführung dehnt sich die Luft beim
Erhitzen in den Kapillaren des verschlossenen Cane aus.
Der dabei entstehende Druck innerhalb der Kapillaren
sorgt dafür, dass der Hohlraum während des Ziehschritts
erhalten bleibt. Bei der „aktiven“ Faserziehvariante führt
dagegen ein definierter Überdruck an den Kapillaren zur
Ausbildung der Hohlkerne in der Faser.
Die Herstellung von Fasern mit maßgeschneiderten Mikro-
und Nanostrukturen erfordert großes technologisches
Know-How und viele Ziehversuche.
Wie die Lichtführung in den Hohlkernfasern berechnet wird,
erfahren Sie in unserer App: „Analytische Formeln für die
Moden in Hohlkernfasern“
Grundlage für die maßgeschneiderten optischen Eigenschaf-
ten der mikrostrukturierten Fasern sind anwendungsbe-
stimmte Faserdesigns, die mit Hilfe numerischer Simulati-
onen konzipiert und entwickelt werden. Die technologische
Umsetzung der meist komplexen Faserstrukturen gelingt
in einem mehrstufigen Prozess. Hierbei wird zunächst eine
makrostrukturierte Vorform (Preform) gefertigt. Diese ent-
hält das prinzipielle Querschnittsdesign der späteren Faser
in mehrhundertfach vergößerter Dimension. Dieses Struktur-
muster wird in einem ersten Ziehschritt (Cane) fixiert und im
finalen Ziehprozess in die Mikrostrukturfaser überführt.
Mit dieser Technologie gelang es am Leibniz-IPHT erst-
mals mikrostrukturierte Fasern herzustellen, die sehr
kurzwelliges UV-Licht innerhalb eines definierten Hohlkerns
führen. Die definierte Beherrschung der Fasergeometrie
mittels spezifischer Drucksteuerung ist Voraussetzung
zum Erzielen simulationsnaher Designparameter. Solche
Fasern bilden die Grundlage neuer faseroptischer Sensoren
für bio- und umweltanalytische Fragestellungen. Voraus-
setzung für die Lichtführung sind luftgefüllte Hohlkerne,
also geometrisch geordnete Lochstrukturen mit einigen
Mikrometern Durchmesser. Sie werden von nanometerdün-
nen Glasstegen innerhalb der Faser gebildet. Die nanoska-
ligen Substrukturen im Faserquerschnitt entstehen indem
zunächst sehr dünnwandige, genau hergestellte Glaskapil-
laren in einem Glasmantelrohr entsprechend des Faserde-
signs zu Kapillarpackungen anordnet werden. Der nachfol-
Einstellung der Fasermikrostruktur durch defi-nierte Unter- und Überdruckregelung. Elektro-nenmikroskopische Aufnahme der Querschnitte von Hohlkernfasern gezogen mit aktiver (links) sowie passiver Druckführung (rechts).
Mikrofluidik
Das Labor der Zukunft auf einem Chip » Um die medizinische Versorgung der Bevöl-kerung weiter zu verbessern, soll das Labor der Zukunft in die Jackentasche passen und innerhalb weniger Minuten die Ergebnisse z. B. einer Blutuntersuchung liefern. Für eine schnelle Vor-Ort-Analytik und Diagnostik eignen sich besonders neue, Licht-basierte Detektionsverfahren. Die Mikrofluidik bietet vielfältige technologische Lösungen für die
Kombination moderner spektroskopischer und optischer Verfahren mit einer kompak-ten Chip-Plattform. Diese mikrofluidischen Lab-on-a-Chip Systeme (LOC) ergänzen schon heute zeit- und kostenaufwändige Routine-Laborverfahren und sichern die Vor-Ort- Analytik und Diagnostik unabhängig von einer speziellen Laborinfrastruktur.
Der Reinraum des Leibniz-IPHT bietet
ideale technologische Voraussetzungen
zur Herstellung der mikrofluidischen
Bauelemente mit Verfahren der Mikro-
systemtechnik. Zur Strukturierung der
Chipsubstrate aus Glas, Silizium oder
Quarzglas kommen Fotolithographie,
nass- und trockenchemische Ätzverfah-
ren sowie Beschichtungsverfahren wie
Sputtern zum Einsatz. Die winzigen
Kanäle und die Funktionselemente der
mikrofluidischen Chips entstehen je-
doch erst durch die exakte Verbindung
einer mikro- bzw. nanostrukturierten
Chipoberseite und -unterseite mit Hilfe
des anodischen Bondens. Hierbei bil-
det sich eine feste chemische Verbin-
dung zwischen beiden Hälften, die für
eine hohe Stabilität des fertigen Chips
sorgt. Die mikro- und nanotechnologi-
schen Prozesse ermöglichen variable
Kanalhöhen in einem Bereich von etwa
0,1 bis 300 Mikrometer in Glas und bis
zu 800 Mikrometer in einem Glas / Sili-
zium / Glas Drei-Lagen-Verbundsystem.
Mittels mehrstufiger Ätzverfahren
lassen sich Kanäle unterschiedlicher
Höhe realisieren, um beispielsweise
Tröpfchen in einer Öl-Wasser-Mischung
zu erzeugen. Die feinen Strukturen
von freistehenden Nanoporenarrays für
Nanosiebe entstehen mittels Elektro-
nenstrahllithographie.
Für die Bereitstellung als Einweg-
Mikrofluidiksysteme aus Polycarbonat
werden externe Dienstleister der DVD-
Massenfertigung in den Herstellungs-
prozess eingebunden. Das hierfür
vom DVD-Standard abgeleitete Format
der „Microfluidic-Laboratory-Disc“
bietet ausreichend Raum für komplexe
Screening-Anwendungen, die z. B.
bis zu 5000 einzelne Probentropfen
parallel erzeugen, prozessieren und
untersuchen. Die Geometriemaster
für diese Disks mit den erforderlichen
Mikrostrukturen entstehen im Rein-
raum des Leibniz-IPHT und dienen
als Urmatrize für die Herstellung der
Disk-Halbscheiben durch einen der
weltweit führenden Dienstleister der
DVD-Massenfertigung. Das nachfol-
gende justierte Verbonden von je zwei
mikrostrukturierten DVD-Halbscheiben
zu den finalen Mikrofluidiksystemen
erfolgt wieder im Reinraum des
Leibniz-IPHT. Dadurch reduzieren
sich die reinen Herstellungskosten für
die Einweg-Mikrofluidiksysteme auf
weniger als 100 Euro pro Bauelement.
Für die erfolgreiche Umsetzung von
Ideen aus Forschung und Industrie
bündelt das Leibniz-IPHT Kompeten-
zen auf den Gebieten der Mikrosys-
temtechnologie, Mikroströmungsme-
chanik, Photonik und Automatisierung.
Die Forscherinnen und Forscher nut-
zen einen effizienten Design-Ansatz,
um maßgeschneiderte, hochintegrierte
Mikrofluidiksysteme für sehr unter-
schiedliche Anwendungen liefern zu
können. Neben standardisierten Chip-
formaten und Fluidanschlusstechnik
kommen flexibel miteinander kombi-
nierbare mikrofluidische Funktionsele-
mente zum Einsatz. Dadurch können
komplexe Verfahrensabläufe auf einem
einzigen Chip ablaufen und dieser in
optische Messsysteme implemen-
tiert werden. Andererseits profitiert
das Chip-Design von der Software-
basierten Modellierung dieser
mikrofluidischen Netzwerke. Mit der
in-silico Modellierung gelingt es, das
Zusammenspiel der mikrofluidischen
Funktionselemente in Einphasenströ-
mungssystemen und tropfenbasierten
Systemen zu analysieren und visuali-
sieren, noch bevor der Chip hergestellt
ist. So werden mögliche Designfehler
im Vorfeld der Fertigung erkannt und
die gewünschte Funktionsweise des
Chips oft schon im ersten Entwick-
lungszyklus erreicht.
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Microfluidic-Laboratory-Disc
Was ist Mikrofluidik?
Kleine Flüssigkeitsmengen auf
engstem Raum gehorchen anderen
physikalischen Gesetzen als ma-
krofluidische Systeme. Ein großes
Oberfläche-zu-Volumen Verhältnis,
Kapillarkräfte und eine turbulenzarme
Strömung dominieren das Verhalten
der Fluide in Kanälen von wenigen
Mikrometern Durchmesser. Diese
Effekte werden gezielt genutzt um
z. B. zwei Flüssigkeiten in weniger
als einem Tausendstel einer Se-
kunde vollständig zu mischen. Für
andere Anwendungen werden durch
die gezielte Auswahl und fluidische
Verschaltung von Funktionselementen
in den Mikrokanälen Zellen aus einer
Zellsuspension vereinzelt, sortiert,
gedreht und anschließend mit optisch
spektroskopischen Verfahren analy-
siert – alles mit nur wenigen Tropfen
einer Probe in einem postkartengro-
ßen Chip (von 16 x 12.5 mm²).
Nanoplasmonik
Metallnanopartikel in allen Formen und Farben» Schon die Menschen im Altertum nutzten Nanopartikel aus Gold, um farbenprächtiges Glas für Trinkgefäße und Schmuck herzustel-len. Hervorgerufen wird die intensive Farbe durch Wechselwirkung der metallischen Nanostrukturen mit einfallendem Licht, das im Metall kohärente Schwingungen der Leitungsbandelektronen anregt. Da die Re-sonanzfrequenz dieser Plasmonen meist im sichtbaren Spektralbereich liegt, absor bieren und streuen die Teilchen je nach Größe, Form, Material und Umgebung verschiede-
ne Wellenlängen des Lichts und besitzen daher die unterschiedlichsten Farben. Mit maßgeschneiderten metallischen Nanopar-tikeln können Wissenschaftler und Wissen-schaftlerinnen heute die Wechselwirkung mit Licht und die Position der lokalisierten Oberflächenplasmonen genau kontrollieren. Als optische Markierung für Biomoleküle, Signalwandler in der Sensorik oder optische Antennen eignen sich die plasmonisch akti-ven Nanopartikel hervorragend zur Lösung bioanalytischer Fragestellungen.
Am Leibniz-IPHT werden daher Nano-
strukturen aus Gold, Silber, Platin oder
Palladium nanotechnologisch in einem
bottom-up Ansatz hergestellt. Bei
diesem in der Regel mehrstufigen
Prozess setzt ein Reduktions-
mittel zunächst Metallionen
in einer Lösung zu ele-
mentaren Metallclustern
um. Diese aggregieren
zu etwa drei bis vier
Nanometer großen
Kristallkeimen - die
Seeds. Im darauffol-
genden Schritt wach-
sen die Kristallkeime
in Anwesenheit eines
schwächeren Redukti-
onsmittels und Metallsalz
zu Nanopartikeln unter-
schiedlicher Form und Größe
heran. Durch forciertes Wachstum
einer oder mehrerer Facetten des Kris-
tallkeims, lassen sich neben den ener-
getisch favorisierten kugelförmigen
Partikeln auch nanoskalige Prismen,
Würfel, Stäbchen und Sterne erzeu-
gen. Deren anisotrope Form verstärkt
das plasmonische Feld an bestimmten
Punkten der Partikeloberfläche. Erst
dieses Feld ermöglicht die hochemp-
findliche Detektion kleinster Brech-
zahlunterschiede – die Grundlage der
häufigsten sensorischen Anwend ungen
der plasmonischen Nanopartikel.
Üblicherweise werden die plasmo-
nisch aktiven Nanostrukturen in einem
Batch-Ansatz, also einem Reaktions-
gefäß, erzeugt. Komplexe forman-
isotrope Strukturen wie Nanowürfel
oder -prismen in hoher Ausbeute und
Qualität lassen sich jedoch effizienter
in mikrofluidischen Reaktoren syn-
thetisieren. In ihnen lassen sich die
Kristallkeimbildung und -wachstum,
die sehr unterschiedliche Reaktionski-
netiken besitzen und daher räumlich
und zeitlich voneinander getrennt
stattfinden sollten, gezielt mani-
pulieren. Da für jede Reaktion
die optimalen Parameter
eingestellt und exakt ge-
steuert werden können,
entstehen reproduzier-
bare Partikel mit sehr
einheitlicher Form
und Größe. Beson-
ders beim kritischen
Schritt der Kristall-
keimbildung sorgen
die kurzen Diffusions-
längen und die damit
einhergehenden hohen
Mischraten in den kleinen
Kanälen des mikrofluidischen
Reaktors für die notwendige
effiziente und homogene Vermischung
der chemischen Substanzen.
Mehr zur Synthese plasmoni-
scher Nanopartikel erfahren Sie
in unserer App: „Mikro trifft Nano:
Effizienzsteigerung der Synthese
von formanisotropen Nanopartikeln
durch Verwendung mikrofluidischer
Bauelemente“
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TERS
Spitzenbilder aus der Nanowelt
» Einzelne Viren, Proteine, DNS-Stränge oder winzige Sprengstoffkristalle: Die Untersu-chungsobjekte der Gruppe um Prof. Volker Deckert sind nur wenige Hunderttausendstel eines Millimeters groß. Die klassische Mikro-skopie stößt bei der Abbildung solch kleiner Strukturen an ihre Auflösungsgrenze. Um dennoch strukturelle und chemische Infor-mationen über die nanoskaligen Objekte zu erhalten, kombiniert die Nanoskopie die hoch-aufgelöste Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy – AFM) mit der Raman-
Spektroskopie. Bei der Tip-enhanced Raman-Spektroskopie (TERS) fokussiert ein Laser auf eine mit Silbernanopartikeln beschichtete AFM-Spitze, die die Probe abtastet. Die AFM-Spitze verstärkt das Raman-gestreute Licht der Probe, das dann mit einem Mikroskopob-jektiv gesammelt und nachfolgend abgebildet wird. Das Verfahren liefert eine Ortsauflö-sung von etwa einem Nanometer und besitzt eine Empfindlichkeit, die die Charakterisie-rung einzelner Moleküle erlaubt.
Von zentraler Bedeutung für die TERS-
Untersuchungen ist die zuverlässige
und reproduzierbare Herstellung der
Spitzen, die die Probe abtasten. Die
Struktur, Größe und Anordnung der Sil-
bernanopartikel an der Spitze entschei-
den über die Ortsauflösung und in wel-
chem Maß das Raman-Signal der Probe
verstärkt wird. Die Forscherinnen und
Forscher des Leibniz-IPHT verwenden
ein sogenanntes Aufdampf-Verfahren,
um kleinste Silberpartikel auf der AFM-
Spitze aus Silizium abzuscheiden. In
einer Vakuumkammer verdampft dazu
eine kleine Menge Silber unter der
AFM-Spitze. Der Silberdampf konden-
siert an der kühleren Spitze und bildet
Partikel mit einem Durchmesser von 20
bis 40 Nanometern. Im Unterschied zu
gleichmäßig mit Silber beschichteten
AFM-Spitzen, erzeugt die große Rauig-
keit der Nanopartikel-funktionalisierten
Spitzen ein besseres Signal-Rausch-
Verhältnis und damit eine große
Nachweisempfindlichkeit. Der geringe
Durchmesser der Silbernanopartikel
sorgt für eine der weltweit besten
lateralen Auflösungen, die mit dieser
Methode erreicht werden können.
Ebenso wie die Spitzen beeinflussen
die Träger auf denen sich die Proben
befinden die Qualität der Raman-
Spektren. Damit die nanoskaligen
Objekte und Strukturen überhaupt
untersucht werden können, müssen
unerwünschte Wechselwirkungen
zwischen Träger und Probe vermie-
den werden. Idealerweise besitzen
die Träger dazu eine atomar glatte
Oberfläche. Hier haben sich flache
Einkristalle aus Gold als geeignetes
Trägermaterial erwiesen. In einem
nasschemischen Verfahren erzeu-
gen die Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler 20 bis 30 Nanometer
dünne, transparente Goldkristalle mit
einer atomar glatten Oberfläche, die
auf auf jedem üblichen Untergrund
wie Glas oder Silizium fixiert werden
können. Bei ihrem Einsatz offenbaren
die Goldkristalle Erstaunliches: sie
verstärken zusätzlich das Raman-
Signal und erhöhen gleichzeitig die
laterale Auflösung.
Dank der Nanotechnologie erhält
Volker Deckert immer detailliertere
Bilder aus der Welt der Atome und
Mole küle, um bislang unerforschte
Prozesse und Phänomene auf der
Nanometerskala aufzuklären.
Mit Silbernanopartikeln beschichtete TERS-Spitzen.
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epik
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Das neue bildgebende Spektrometer nutzt das seit langem
in der Fluoreszenzmikroskopie bekannte Konzept der Licht-
blattmikroskopie. Licht lässt sich zu einem dünnen Blatt,
der Lichtschicht, formen. Die Lichtschicht beleuchtet gezielt
eine einzelne Ebene in der dreidimensionalen Probe, die
dann spektral analysiert werden kann. Die Herausforderung
dabei ist, die Spektralinformation hochauflösend in jedem
Bildpunkt zu erfassen, um so ein komplettes Bild z. B. mit
einer Millionen Bildpunkten in der beleuchtenden Ebene
multispektral aufzunehmen. Ein bekanntes Verfahren, dass
sich gleichzeitig auf alle Bildpunkte anwenden lässt, ist die
interferometrische Bildgebung. Hierbei wird das Raman-
gestreute Licht durch einen Strahlteiler in zwei Teile ge-
teilt, entlang zweier unterschiedlich langer Wege geschickt
und am Detektor wieder vereinigt. Wenn sich die vorher
aufgespaltenen Lichtwellen wieder überlagern entsteht
ein Interferenzsignal aus dem sich dann das Spektrum
errechnen lässt.
Lichtmikroskopie
Mit Lichtblättern und Katzenaugen zu hochaufgelösten Multispektralbildern
» Die genaue Kenntnis der biochemischen Zusammensetzung von Organismen, Gewebe-proben und Zellen ist eine wichtige Voraus-setzung für die medizinische Diagnostik und für die Grundlagenforschung in den Lebens-wissenschaften. Moderne Licht-basierte und färbefreie Methoden wie die Raman-Spekt-roskopie nutzen molekulare Schwingungen, um Informationen über die chemische Zu-sammensetzung einer Probe zu erhalten. Die multispektrale Analyse des Raman-gestreuten Lichts ermöglicht die hochauflösende Abbil-dung der molekularen Verbindungen und
damit der Probenzusammensetzung. Die üblichen konfokalen Raman-Bildgebungsver-fahren tasten die Probe nur punktweise ab, was für viele Anwendungen zu zeitaufwändig ist. Ein fundamental neues Verfahren der multispektralen Raman-Bildgebung kombi-niert eine seitliche Lichtschichtbeleuchtung mit einem neuartigen katzenaugen-interfero-metrischen Ansatz, um hochaufgelöste Spekt-ralinformation in mehreren Millionen Bild-punkten gleichzeitig zu erhalten. Die Methode ermöglicht die multispektrale Bildgebung mit bisher unerreichter Geschwindigkeit.
Kopf einer Fruchtfliege aufgenommen mit einem Lichtblattfluoreszenzmikroskop (Ulrich Leischner in Zusammenarbeit mit J. Ribak)
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Kopf einer Bodenlaus aufgenommen mit einem Lichtblattfluoreszenzmikroskop (Ulrich Leichschner in Zusammenarbeit mit Prof. Beutel)
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» Mit der selektiven Lichtschichtbe-
leuchtung und gleichzeitiger interfero-
metrischer Detektion gelingt es Bilder
mit vier Millionen Bildpunkten in weni-
ger als 20 Minuten aufzunehmen. Eine
im Vergleich zum punktweise abtas-
tenden Raman-Mikrospektrometer um
Größenordnungen höhere Geschwin-
digkeit, mit großem wissenschaftli-
chem und diagnostischem Potential.
Ein eindrucksvolles Beispiel ist die
dreidimensionale multispektrale
Raman-Bildgebung eines Zebrafisch-
auges. Die Analyse der Verteilung von
Proteinen, Lipiden und DNA in der
Probe erfolgte in kurzer Zeit und weit-
gehend ohne Probenpräparation.
» Die Raman-Bildgebung fordert
vom eingesetzten Spektrometer eine
sehr hohe spektrale Trennschärfe.
Das bedingt nach diesem interferenz-
spektroskopischen Prinzip eine große
und präzise Veränderung der opti-
schen Weglänge. Dazu müssten sich
die Spiegel im Interferometer über
Millimeterdistanzen torsions- und wa-
ckelfrei mit Nanometerpräzision ver-
schieben lassen. Denn selbst kleinstes
Wackeln eines Spiegels würde sofort
zum Verlust der Interferenzfähig-
keit im Bildpunkt führen. Die IPHT-
Forscherinnen und Forscher machen
sich daher ein ganz anderes optisches
Prinzip zu Nutze: Das Prinzip des
Katzenauges, das zum Beispiel in
Rücklichtern Anwendung findet. Eine
„Ecke“ aus drei zueinander senkrecht
stehenden Spiegeln wirft Licht immer
genau in die Richtung zurück aus der
es auf diesen Eckenspiegel einfällt.
Durch Nutzung zweier solcher Katzen-
augenreflektoren ist eine unerreichbar
präzise Führung der Spiegel nicht
mehr nötig, da ein Wackeln nun keine
optische Auswirkung mehr auf die
Interferenzfähigkeit hat.
LSRM hyperspektrale 3D Aufnahme eines 3 Tage alten fixierten Zebrafischembryos
Schematischer Aufbau der durchgeführten multispektralen Raman Bildgebung.
Raman-Bildgebung in Rekordgeschwindigkeit
Das Katzenaugenprinzip
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Probenkammer
Wissenschaftliche Beiträge in der App
Bauer // Popp // Neugebauer
Diagnostik mit Hilfe von Plasmonik
Hyperspektrale Bildgebung von
Plasmonenresonanzen für die Bio
analytik // Zopf // Jatschka // Dathe
// Jahr // Fritzsche // Stranik
Mikro trifft Nano: Effizienzsteige
rung der Synthese von formaniso
tropen Nanopartikeln durch Verwen
dung mikrofluidischer Bauelemente
// Thiele // Csáki // Müller // Henkel //
Stranik // Fritzsche
Leistungsfähige TopUpNanostruk
turen für die oberflächenverstärkte
Molekülspektroskopie // Hübner //
Patze // Cialla-May // Weber // Popp
Entwicklung von Lebensmittel
analyseAnwendungen basierend
auf oberflächenverstärkter Raman
Spektroskopie // Radu // Ryabchykov
// Bocklitz // Huebner // Weber //
Cialla-May // Popp
Empfindlicher und spezifischer
Nachweis von Medikamenten für
Anwendungen in der forensischen
und therapeutischen Arzneimittel
überwachung // Jahn // Yüksel //
Jahn // Henkel // Weber // Pletz //
Bocklitz // Cialla-May // Popp
SERSbasierter Nachweis und Iden
tifizierung von Mykobakterien //
Mühlig // Stöckel // Bocklitz // Weber
// Cialla-May // Popp
Neue analytische Werkzeuge
Hydrogele als Reaktionsmatrix für
die Nukleinsäureanalytik // Cialla-
May // Beyer // Popp
Becker // Rothhardt // Bartelt // Jäger
Hochtemperaturstabile FaserBragg
Gitter // Elsmann // Habisreuther //
Schmidt // Graf // Rothhardt // Bartelt
FaserBraggGitter in optischen
Mehrkernfasern // Lorenz // Be-
cker // Elsmann, // Latka // Jäger //
Rothhardt // Bartelt
Faseroptische Sensorik mit FBG an
BahnStromabnehmern // Schröder
// Ecke // Höfer // Rothhardt
Photonische Detektion
Der Forschungsschwerpunkt Photo
nische Detektion erforscht und nutzt
Licht-Materie-Wechselwirkungen zur
Realisierung innovativer Sensor- und
Detektorkonzepte höchster Emp-
findlichkeit, Präzision und Spezifität.
Hierzu gehören Technologieforschung
auf dem Gebiet der Mikro- und Nano-
technologien, sensornahe Aufbau- und
Verbindungstechnologien sowie Multi-
plex- und Ausleseschaltungen und die
Integration der untersuchten mole-
kularen und Festkörper-Komponenten
in spektroskopische und bildgebende
photonische Instrumente.
Unkonventionelle Lichter-zeugung für biophotonische Anwendungen
Superkonzentration von Licht durch
optische Photonenzuweisung //
Roth // Heintzmann
Elektrisch angeregte Plasmonen
resonanzen in Hybridnanostruktu
ren // Dathe // Ziegler // Hübner //
Fritzsche // Stranik
Faserverstärkte Ramanspektros
kopische Analyse zur Diagnose und
Überwachung von Anämien // Yan //
Domes // Frosch // Popp
Analytische Formeln für die Moden in
Hohlkernfasern // Zeisberger // Schmidt
Charakterisierung von Medika-menten und deren Freisetzung
Photoinduzierte Dynamik in einem
niedermolekularen Modellkomplex in
einer zellulären Umgebung // de la Ca-
dena // Reichardt, // Wächtler // Dietzek
Wirkstofffreisetzung und Untersu
chungen zur Partikelbeweglichkeit
in magnetischen Biokompositen //
Müller // Dellith
Chemometrik
Gewebediagnostik des Gastroin
testinaltrakts mittels multimodaler
Bildgebung und bildanalytischen
Verfahren // Bocklitz // Chernavskaia
// Bekele Legesse // Meyer // Heuke
// Vogler // Schmitt // Stallmach //
Vieth // Petersen // Waldner // Popp
Faseroptik
Der Forschungsschwerpunkt Faser
optik widmet sich den Ausbreitungs-
eigenschaften und der effizienten und
flexiblen Steuerung faser- und planar-
geführten Lichts. Dies umfasst Tech-
nologie- und Grundlagenforschung
zum Verständnis der Lichtausbreitung
in Faserwellenleitersystemen und zur
Realisierung neuartiger Fasermodu-
le und -systeme. Der Schwerpunkt
erforscht neuartige mikrostrukturier-
te und funktionalisierte Fasern für
sensorische Fragestellungen in der
Lasing durch Interferenz an einem
stark getriebenen künstlichen Atom
// Oelsner // Hübner // Il’ichev
Sensoren und Sensorsysteme
Gemeinsamer Europäischer Ferti
gungsprozess für Ausleseschaltun
gen photonischer Multipixelsensor
systeme // Brandel // Kunert
DiodenArray mit KernSchaleAuf
bau für innovative Hochleistungs
bildsensoren und Partikeldetektoren
// Jia // Plentz // Andrä // Hübner //
Dellith // Stolz
Einzelphotonendetektor im Mikro
wellenbereich // Hübner // Schmalz
// Anders // Oelsner // Il’ichev
Entwicklung von NbSiKontakten
für gekühlte Detektoren // Anders //
Knipper // Schubert // Peiselt // Franke
Eigenschaften nanometerdünner
Niobnitridschichten für ultraschnelle
Einzelphotondetektion // Linzen //
Toussaint // Ziegler
Unterdrückung der SpinAustausch
Relaxation in Magnetfeldern beliebi
ger Orientierung der Stärke des Erd
magnetfeldes // Scholtes // Pustelny //
Fritzsche // Schultze // Stolz // Meyer
Erweitertes Blickfeld – Anwendungen von IPHT- Sensoren
Magnetische Prospektion als Grund
lage innovativer Inversionsverfah
ren zur Analyse hochauflösender
Daten // Schneider // Schiffler //
Chwala // Linzen // Stolz
Biophotonik
Der Forschungsschwerpunkt Bio
photonik erforscht und realisiert unter
Einbindung der Technologieforschung
der Faseroptik und Photonischen
Detektion innovative photonische
Verfahren und Werkzeuge für die
Molekülspektroskopie und hyperspek-
trale Bildgebung, die hochauflösende
Lichtmikroskopie sowie die faser-,
chip- und nanopartikelbasierte Analy-
tik und Diagnostik höchster Spezifität,
Sensitivität und Auflösung.
Spektroskopische Charakteri-sierung und Klassifizierung einzelner Zellen
Identifizierung von Pseudo
monas spp. mittels Raman
Mikrospektroskopie und Pyoverdin //
Pahlow // Weber // Cialla-May // Popp
Den Algen beim Wachsen zuschau
en – Raman und FTIRSpektros
kopie zur Untersuchung von Diato
meen // Rüger // Unger // Schie //
Brunner // Popp // Krafft
Ramanbasierte Differenzierung von
Einzelzellen in einem Mikrofluidik
chip bei kontinuierlichem Fluss //
Krafft // Freitag // Beleites // Dochow
// Clement // Popp
Schnelle Ramanspektroskopische
Analyse eukaryotischer Zellen
– Kombination von Integrierter
RamanSpektroskopie (IRS)
und LowResolution Raman
Spektroskopie (LRRS) // Schie //
Kiselev // Krafft // Popp
Lebergesundheit: RamanDaten als
potenzielle Biomarker auf Gewebe
und Einzelzellebene // Galler //
Biophotonik sowie nichtlineare und
Laser-basierte Faserlichtquellen.
Fasertechnologie
Demonstration eines komplett ape
riodischen LargePitchFaserlasers
mit homogenem Ybdotierten Kern
// Schuster // Dauliat // Benoit // Dar-
wich // Jamier // Kobelke // Bierlich //
Grimm // Roy
Der Phosphoreinbau in den ver
schiedenen Stufen des MCVD
Verfahrens in Kombination mit
der Lösungsdotierung // Lindner //
Unger // Aichele // Dellith // Scheffel
// Kriltz // Schuster // Bartelt
Verhinderung von Photodarkening in
Ytterbium/AluminiumFasern durch
CerKodotierung // Jetschke // Unger
// Schwuchow // Leich // Jäger
Nicht-lineare Nanooptik in Fasern
SilberNanopartikel beschichteter
LichtleitfaserTaper als brechzah
lempfindliches Sensorelement //
Wieduwilt // Schmidt
Theorie eines plasmonischen Kopp
lers und Superfokussierung // Tuniz
// Schmidt
Hochgradig nichtlineare Fasern aus
ungiftigem Silbermetaphosphat
Glas // Chemnitz // Wei // Jain //
Rodrigues // Wieduwilt // Wondraczek
// Schmidt
Faser-Bragg-Gitter
Wellenlängenabstimmbarer Faserla
ser mit nachgeschaltetem Verstärker
für Anwendungen bei 2 μm // Tieß //
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Das Leibniz-IPHT auf einen Blick – Kennzahlen aus 2016
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18 Patentanmeldungen,10 davon prioritätsbegründend,2 davon Patenterteilungen
13 EU-finanzierte Projekte, 5 davon durch IPHT koordiniert
71Invited Talks
355 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
23 Anzahl der Promotionen,13 davon Frauen
218 Anzahl der Publikationnen in referierten Journalen
1 Habilitation
166 aktive Teilnahme an Konferenzen
3.092.526 € Industrieprojekte
=
1.786.715 € EU-Drittmittel, davon ERA-NET / ERA-Net Plus, JPI, Eurostars 720.187 Euro
6.984.528 € Nationale Projekte, davon DFG-Mittel 1.213.936 Euro
11.863.769 € Drittmittel gesamt
22.663.800 € Gesamtbudget
52,35 % Drittmittelquote
Wissenschaftlicher Beirat
Sprecher
Prof. Dr. Cornelia Denz // Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Mitglieder
Prof. Dr. Heike Ebendorff-Heidepriem // University of Adelaide, Australien
Eugen Ermantraut // BLINK GmbH, Jena
Prof. Dr. Heinz-Wilhelm Hübers // Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Berlin
Prof. Dr. Werner Mäntele // Johann-Wolfgang-Goethe-Universität Frankfurt
Prof. Dr. Monika Ritsch-Marte // Universität Innsbruck, Österreich
Prof. Dr. Christian Spielmann // Friedrich-Schiller-Universität Jena
2015 ausgeschieden
Prof. Dr. Wolfgang Kiefer // Universität Würzburg
Prof. Dr. Wolfgang Mehr // IHP, Frankfurt / Oder
Prof. Dr. Bernd Rech // Helmholtz-Zentrum Berlin & TU Berlin
Prof. Dr. Theo Tschudi // Bern, Schweiz
Kuratorium
Vorsitzender
Dr. Bernd Ebersold // Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft, Erfurt
Mitglieder:
Dr. Hans Eggers // Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn
Prof. Dr. Thorsten Heinzel // Friedrich-Schiller-Universität Jena
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46------
Organigramm
Forschungseinheiten
Kuratorium
Dr. Bernd Ebersold //
Vorsitzender
Spektroskopie / Bildgebung
Prof. Dr. Jürgen Popp
Faseroptik
Prof. Dr. Hartmut Bartelt
Fasersensorik
Prof. Dr. Markus Schmidt
Magnetometrie
Dr. Ronny Stolz
Klinisch-Spektroskopische Diagnostik
Prof. Dr. Ute Neugebauer
Nanooptik
Prof. Dr. JerShing Huang
Nanobiophotonik
PD. Dr. Wolfgang Fritzsche
Funktionale Grenzflächen
Prof. Dr. Benjamin Dietzek
Quantendetektion
Prof. Dr. HansGeorg Meyer
Nanoskopie
Prof. Dr. Volker Deckert
Mikroskopie
Prof. Dr. Rainer Heintzmann
Vorstandsreferenten
Dr. Roland Mattheis //
Vorstandsreferent
Susanne Hellwage //
Persönliche Referentin des
Wissenschaftlichen Direktors
Forschungsstrategie und -kommunikation
Prof. Dr. Benjamin Dietzek //
Strategische F & E-Planung
Daniel Siegesmund //
Öffentlichkeitsarbeit und
Forschungsmarketing
Vorstand
Prof. Dr. Jürgen Popp //
Vorsitzender und Wiss. Direktor
Frank Sondermann //
Administrativer Direktor
Prof. Dr. Hartmut Bartelt //
Stellvertretender Wiss. Direktor
Wissenschaftlicher Beirat
Prof. Dr. Cornelia Denz //
Sprecherin
Verwaltung, Betriebstechnik
Frank Sondermann // Leiter
Wissenschaftliche Koordination
Dr. Ivonne Bieber //
Projektmanagement und
Patentwesen
Personalvertretung
Dr. Gudrun Andrä //
Vorsitzende des Betriebsrates
Manuela Meuters //
Gleichstellungsbeauftragte
Mitgliederversammlung
Abteilungen Gruppen
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48------
Vereinsmitglieder
Institutionelle Mitglieder
Ernst-Abbe-Hochschule // vertreten durch die Rektorin Prof. Dr. Gabriele Beibst
4H Jena Engineering GmbH // vertreten durch Michael Boer
Sparkasse Jena // vertreten durch Erhard Bückemeier
CiS Institut für Mikrosensorik e. V., Erfurt // vertreten durch Dr. Hans-Joachim Freitag
TÜV Thüringen e. V., Erfurt // vertreten durch Volker Höhnisch
j-fiber GmbH, Jena // vertreten durch Dr. Ulrich Lossen
Robert Bosch GmbH, Stuttgart // vertreten durch Dr. Achim Moritz
Friedrich-Schiller-Universität Jena // vertreten durch Dr. Jörg Neumann
Stadt Jena // vertreten durch den Oberbürgermeister Dr. Albrecht Schröter
Leibniz-Institut für Festkörper-und Werkstoffforschung e. V., Dresden // vertreten durch Prof. Dr. Ludwig Schultz
Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft, Erfurt // vertreten durch Dr. Ute Zopf
Persönliche Mitglieder
Prof. Dr. Hartmut Bartelt // Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V., Jena
Dr. Frank Ehrhardt // Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft, Erfurt
Dr. Klaus Fischer // Jena
Elke Harjes-Ecker // Thüringer Staatskanzlei, Erfurt
Prof. Dr. Hans Eckhardt Hoenig // Erlangen
Bernd Krekel // Commerzbank AG, Jena
Prof. Dr. Jürgen Popp // Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V., Jena
Frank Sondermann // Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V., Jena
Prof. Dr. Herbert Stafast // Jena
Finanzen des Institutes 2016
in T Euro
Institutionelle Förderung (Freistaat Thüringen, Bund) 10.800,0
Drittmittel 11.863,8
22.663,8
Institutionelle Förderung: Verwendung
Personalmittel 6.558,0
Sachmittel 3.024,8
Investitionsmittel 1.217,2
10.800,0
Drittmittel
Bund 3.443,1
davon für Projekte finanziert von der Leibniz-Gemeinschaft 200,7 T€
DFG 1.213,9
(Zusätzlich haben IPHT Wissenschaftler an der Universität Jena DFG-Mittel in Höhe von 130,3 T€ verausgabt)
Freistaat Thüringen 2.173,8
davon für Umstrukturierung im Rahmen EFRE 1.216,8 T€
(Zusätzlich wurden von 2014 bis 2016 Mittel für die ACP-FIB Anlage in Höhe von 424,8 T€
eingeworben (Mittelbereitstellung über FSU))
EU 1.786,7
davon für EU-Maßnahmen wie ERA-Net / ERA-NetPlus, Joint Programming Initiativen u. a. 720,2 T€
Aufträge öffentlicher Einrichtungen 214,2
Sonstige Zuwendungsgeber 153,7
Unteraufträge in Verbundprojekten 223,7
FuE Aufträge inkl. wissenschaftlich-technische Leistungen 2.654,7
11.863,8
Impressum
Herausgeber:Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.
Standort:Albert-Einstein-Str. 9, 07745 Jena
Postanschrift:PF 100 239, 07702 Jena
Telefon | Telefax:00 49 3641 206 00 | 0049 3641 206 399
Redaktion:Daniel Siegesmund, Dr. Anja Schulz, Britta Opfer (Leibniz-IPHT)
Layout:Katrin Uhlig (Leibniz-IPHT)
Bilder:Sven Döring _Agentur Focus, Hamburg, Leibniz-IPHT Jena
Druck:Grafisches Centrum Cuno GmbH und Co KG, Calbe (Saale)
© Leibniz-IPHT Jena _03.2017
www.leibnizipht.de
50------
Personal des Institutes 2016
institutionelle Drittmittel- Professoren Summe Personen Förderung förderung
Wissenschaftler 37,37 57,34 5,50 100,21 109
Gastwissenschaftler** - - - - 23
Extern finanzierte Wissenschaftler* - - - - 17
Extern finanzierte Mitarbeiter* - - - - 2
Extern finanzierte Doktoranden* - - - - 46
Geringfügig Beschäftigte - - - - 8
Doktoranden 4,50 24,03 - 28,53 48
Studenten / Praktikanten - - - - 50
Technisches Personal 35,13 38,08 - 73,21 78
Kaufmännisches Personal 12,97 3,71 - 16,68 18
Wissenschaftliche Koordination 2,00 2,00 - 4,00 4
ÖA und Forschungsmarketing 2,88 5,00 - 7,88 8
Vorstand 1,00 0,00 0,50 1,50 2
Auszubildende 0,00 - - 0,00 0
Gesamtpersonal 95,85 130,16 6,00 232,01 355
*Mitarbeiter, die nicht über die Entgeltabrechnung des IPHT vergütet werden bzw. von einer anderen Institution (z. B. FSU) finanziert werden, aber ihren Arbeitsschwerpunkt am IPHT haben
**Wissenschaftler, die im Kalenderjahr 2016 bisher länger als einen Monat am IPHT tätig waren und von einer anderen Institution finanziert wurden. Keine Anwendung der Stichtagsregelung 31.12.
LeibnizInstitut für Photonische Technologien e. V.
Standort:
Albert-Einstein-Str. 9
07745 Jena
Postanschrift:
PF 100 239
07702 Jena
www.leibnizipht.de
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