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Department of Chemistry
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Photographic picture of an artificial PMMA opal. Show image information

Photographic picture of an artificial PMMA opal.

Photo: Thorsten Wagner

Photonic Gas Sensors
Dr. Thorsten Wagner

Künstliche Photonische Kristalle

Die physikalische Wechselwirkung zwischen Licht und periodisch geordneter Materie führt zu neuartigen, strukturbedingten optischen Eigenschaften. Ein Beispiel dafür sind natürliche Opale, die typischerweise ein schillerndes Farbspiel aufweisen und aus diesem Grund als Schmucksteine Verwendung finden. Allgemein werden Materialien, die auf Grund einer räumlichen Variation des Brechungsindexes photonische Bandstrukturen ausbilden, als photonische Kristalle (PhC) bezeichnet. Konstruktive Interferenz, bedingt durch die periodische Struktur, führt zur selektiven Reflektion bestimmter Lichtfrequenzen in der Bandlücke. Die Abbildung zeigt z.B. die strukturbedingte Reflexion von grünem Licht eines künstlichen PMMA (transparent) Opals. Der Effekt ist vergleichbar mit der Bragg-Beugung in klassischen Kristallstrukturen aus Atomen.

Photonische Kristalle als Transducer für Sensoren

Photonische Kristalle ermöglichen die Nutzung der Metalloxide (z.B. Wolframoxid, Indiumoxid, Zinnoxid)  als optische Transducer für Gase. Die Strukturen können dadurch kontaktlos mit Hilfe optischer Verfahren, z.B. durch Reflexionsmessungen, ausgelesen werden. Etablierte Halbleiter-Gassensorkonzepte hingegen basieren typischerweise auf Erfassung der Widerstandsänderungen der Materialien bei Gaskontakt. Durch den Wegfall der zur elektrischen Signalübertragung notwendigen Aufbau- und Verbindungstechnik kann der Einsatzbereich dieser neuartigen photonischen Gassensoren stark erweitert werden. Ziel ist die Erforschung von Sensorkonzepten zur Gasdetektion für hohe Temperaturen bis zu 1000 °C und eines möglichen Einsatzes dieser Konzepte für die Regelung von Hochtemperaturprozessen.

Die möglichen Mechanismen können grob als direkt oder indirekt kategorisiert werden. Bei direkten Mechanismen wird die Änderung einer Eigenschaft des PhC erfasst, z.B. kann es zu einer Variation der photonischen Bandstruktur/Bandlücke aufgrund einer Gasreaktion oder durch Variation des Brechungsindexkontrastes zwischen Material und Pore kommen. Diese Variation hat meist eine Farbänderung (Verschiebung der maximalen spektralen Reflektivität) zur Folge, ein Beispiel finden Sie hier (2015: Photonic crystal-based fluid sensors: Toward practical application).

Indirekte Mechanismen nutzen den PhC als Verstärkungselement. Ein Beispiel hierfür ist die Nutzung des sogenannten slow-light-effects. Die Wechselwirkung von Licht mit Gas, welches sich in dem PhC befindet, wird dadurch verstärkt. Der PhC kann somit z.B. als Verstärkerelement für bekannte Messmethoden wie FT-IR Spektroskopie eingesetzt werden.

In der heterogenen Katalyse ist die Steigerung bzw. Aktivierung der Reaktivität von Metalloxiden zur Umsetzung von Gasen mit Hilfe optischer Anregung bereits ein etabliertes Forschungsthema.

Die beobachteten Effekte, wie z.B. gesteigerte Aktivität oder eine verbesserte Selektivität, sind auch im Bereich der Halbleiter basierten Gassensoren von hohem Interesse. Trotzdem gibt es bisher nur wenige systematische Studien zur Anwendung von optischer Anregung zur Verbesserung der Sensoreigenschaften. Dies ist wohl hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass  die Eindringtiefe des Lichts in den...


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Dr. Thorsten Wagner

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