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Optische Resonatoren zur Detektion von Biomolekülen

WGM Biodetection

Hochempfindliche und kostengünstige Sensoren zur markerfreien Detektion von Biomolekülen sind von enormem Interesse in den Biowissenschaften und in der Medizin.

Mit optischen Mikroresonatoren, also Strukturen mit einigen Mikrometern Ausdehnung in denen Licht bestimmter Wellenlänge eingeschlossen werden kann, sind solche Detektoren realisierbar. Hierbei spielen  Mikrokelche, in denen sich sogenannte Flüster-Galerie-Moden ausbilden, eine vielsprechende Rolle. In unserer Arbeitsgruppe werden in einem mehrstufigen Herstellungsprozess Kelche aus PMMA (Plexiglas) hergestellt. Dabei wird das PMMA zunächst mittels Spin-Coating auf einem Siliziumwafer aufgebracht und ausgebacken. Anschließend werden durch Lithografie Kreisstrukturen erzeugt, welche nach dem Entwickeln unterätzt werden und somit Scheibenresonatoren bilden. Für die optischen Eigenschaften und die damit verbundene Detektionsempfindlichkeit ist eine glatte Oberfläche der Resonatoren von entscheidender Bedeutung. Im letzten Herstellungsschritt wird die Probe erhitzt, wobei die Oberflächenspannung des PMMA für eine glatte Oberfläche und für die Kelchform der Resonatoren sorgt.

Es ist auch möglich dem PMMA vor der Herstellung einen fluoreszierenden Farbstoff hinzuzufügen. Werden die Farbstoffdotierten Kelche optisch angeregt, so bilden sich in den Resonatoren Lasermoden aus, die im Lumineszenzspektrum beobachtet werden können.

Außerdem können die entstandenen Mikrokelche mit selektiv bindenden Molekülen funktionalisiert werden. Bindet nun ein spezieller Typ von Molekülen aus dem Analyt an den Resonator, kann dies durch Verschiebung der Resonanzfrequenzen detektiert werden.

In zukünftigen Schritten sollen optische Komponenten und Mikrofluidikelemente integriert werden, um ein Lab-on-a-Chip System zur parallelen Detektion unterschiedlicher Biomoleküle zu erhalten.

 

Diese Forschungsarbeiten werden im Rahmen des CFN-Projekts A5.4 finanziert.

 

 

Kesterit-Solarzellen

 

SolarCell3d

Kesterite (Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4) werden als vielversprechendes Absorbermaterial in der Dünnschichtphotovoltaik angesehen. Im Vergleich zum etablierteren Cu(In,Ga)(S,Se)2 CIGS), das sowohl strukturell  als auch optisch ähnliche Eigenschaften ausweist, sollten Solarzellen mit ähnlichen Wirkungsgraden bei besserer Umweltverträglichkeit und geringeren Herstellungskosten erreichbar sein.

Im Mittelpunkt unserer Forschungsaktivitäten steht zum einen die Herstellung des Materials sowohl mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) als auch chemischer Badabscheidung (CBD). Zur strukturellen Charakterisierung dienen hierbei  vorrangig Röntgendiffraktometrie und Raman-Spektroskopie.  Einen zweiten Schwerpunkt bildet die Untersuchung der elektronischen und optischen Eigenschaften der Kesterite. Hierbei kommen  u.a.  Modulationsspektroskopie (Photo- bzw. Elektroreflektanz) und Photolumineszenzspektroskopie zum Einsatz. In enger Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Stuttgart (ZSW) werden darüber hinaus Kesterit-Solarzellen entwickelt und auf ihre elektro-optischen Eigenschaften untersucht (Kennlinien, externe Quanteneffizienz etc.).

Perovskite solar cells

Perovskite-based solar cells have been shown to be the fastest growing solar technology in history so far. Starting with a power conversion efficiency of 3% in 2009, perovskite solar cells have achieved efficiencies approaching 20%. Recently, the first certified efficiency of 15% in perovskite solar cells with an area of over 1 square cm has been reported, indicating an important milestone towards the application of the solar cells.

It took a decade or more for the major solar cell materials used today, i.e., silicon and cadmium telluride, to reach efficiency levels that have been demonstrated with perovskites in just four years. However, despite the rapid development of perovskite solar cells, the physical understanding of the absorber material and solar cells (including relevant tandem cells) lag behind.

The main interest of our work is to investigate the fundamental optoelectronic properties of the perovskite absorber material and solar cells by means of advanced optical spectroscopy. The aim is to gain valuable insight into the material and device physics and their correlation with the overall material properties and device performance.

Modulation spectroscopy, in particular electroreflectance (ER) und photoreflectance (PR), will be applied to study the band structure of the absorber. The role of disorder as well as excitonic effects (e.g., exciton binding energies and their impact on carrier separation), their relation to effective dimensionality of the electronic states, and their relevance for the performance of solar cells will be studied using temperature-dependent (magneto-) photoluminescence (PL) measurements and PL excitation spectroscopy (PLE). With spatially and temporally resolved ultrafast transient spectroscopy, the interface effects like charge carrier separation and generation, the limitations in recombination losses, and the stability are to be explored. The research work will be done in close cooperation with experienced external partners. 

Ehemalige Forschung: Spin-Optoelektronik mit Halbleiter-Quantenpunkten

In diesem Projekt wird die Initialisierung, Speicherung, Manipulation und Detektion von Ladungsträger-Spinzuständen in Halbleiter-Quantenpunkten untersucht. Mittel- und langfristig finden sich potentielle Anwendungen in der Spinelektronik bzw. der Quanteninformationsverarbeitung.

Die Halbleiter-Quantenpunkte befinden sich in Halbleiter-Heterostrukturen, in denen die Spinpolarisation mittels eines verdünnten magnetischen Halbleiters (ZnMnSe) erfolgt. Für einzelne Quantenpunkte innerhalb von Spin-Leuchtdioden konnten wir eine nahezu perfekte Initialisierungseffizienz nachweisen. Gegenwärtig durchgeführte Experimente, bei denen die elektrische Injektion gepulst stattfindet und die Detektion zeitaufgelöst durchgeführt wird, liefern Erkenntnisse über Spinstreu- und Injektionsprozesse. Darüber hinaus entwickeln wir Spin-Injektions-Transistoren, mit denen eine längere Spinspeicherung und ein elektrisch kontrollierter Spininjektions- und -auslesprozess erzielt werden soll. Schließlich umfasst unsere aktuelle Arbeit neuartige elektrische und optische Prozeduren zur Spinmanipulation.

Diese Arbeit wird von der DFG und dem Land Baden-Württemberg im Rahmen des CFN-Projekts A2 gefördert.

Ausgewählte Literatur:  Hetterich 2009, Loeffler 2007