Nanosensorschichten und Sensorkomponenten

Nanosensorschichten

Dieser Projektabschnitt ist in Unterabschnitte gegliedert, in denen einzelne Schritte die Nanosensorschichten betreffend durchgeführt werden:

Herstellung der Nanosensorschichten

Bei der Entwicklung sensitiver Oberflächen liegt der Fokus auf zweidimensionalen Schichten, die sich durch ein besonders vorteilhaftes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen auszeichnen. Die Palette verfügbarer Materialien reicht von Graphen bis hin zu 2D-TMDC-Schichten (Transition Metal Dichalcogenide), wie z.B. MoS2 oder PtSe2. Diese Schichten werden diversen Abscheideverfahren (CVD, MBE) hergestellt. Aber auch niederdimensionale, in Nanotechnologie hergestellte Schichten aus Metalloxiden und organische Schichten werden untersucht.

Funktionalisation von Nanoschichten

Entsprechend der Anforderungsprofile aus AP1 werden geeignete Rezeptorgruppen zur Detektion der Zielanalyten und Verfahren zur Herstellung funktionaler Nanoschichten identifiziert. Geeignete chemische Wechselwirkungen zwischen Zielanalyten und den funktionalen Schichten werden erst im Labormaßstab untersucht und bezüglich ihres Ansprechverhaltens charakterisiert.

Charakterisierung der Nanoschichten

Neben der Charakterisierung des Ansprechverhaltens der funktionalen Schichten, erfolgt ebenfalls ihre Oberflächenanalytik. Aufgrund des wenigen verfügbaren Materials, u.a. nur Monolagen, werden aufwendige Methoden wie TOF-SOMS, XPS und AFM eingesetzt. Physikalisch-chemische Eigenschaften der Schichten, sowie Adsorption, Desorption und dielektrische Eigenschaften der zu messenden Analyten werden unter definierten Umweltbedingungen betrachtet, ebenso wie die Stabilität der Schichten bei der Weiterprozessierung (AP4).

Stabilitäts- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen der Nanosensorschichten

Im Vorhaben sollen Systeme zur Gasdetektion (Atemgas) und zur Analytdetektion in flüssigen Medien (Schweiß) entwickelt werden. Die Materialien und Methoden zur Herstellung der funktionalen Schichten werden diesen Aspekt besonders berücksichtigen. Es ist zu erwarten, dass besondere Herausforderungen bezüglich mechanischer und chemischer Stabilität bei der Entwicklung von zuverlässigen, langzeitstabilen Materialien für die Fluidik auftreten werden. Die Charakterisierung der Sensormaterialien soll deshalb auch im Labormaßstab bereits unter möglichst realistischen Bedingungen erfolgen. Hier werden, in Abstimmung mit den Anwendungspartnern, realitätsnahe Szenarien bezüglich Querempfindlichkeit, Umweltparameter durch Verwendung von Simulanzreagenzien und Temperatur- und Feuchteprofilen in der Klimakammer realisiert.

Sensorkomponenten

Die Basis für die Neuentwicklung der Sensorkomponenten liefern die Materialien aus WP3. Hier wurden geeignete Rezeptor-Analyt-Wechselwirkungen identifiziert, die bei der Detektion der Zielanalyten konzentrationsabhängige Änderungen der Eigenschaften der Sensormaterialien hervorrufen. Die Änderungen, wie zum Beispiel Änderung der Austrittsarbeit oder elektrische Leitfähigkeit, können in Transistor, TLM oder Diodenstrukturen elektronisch ausgemessen werden. Weiter können optische Methoden (Absorption, Emission) Signale detektiert werden, insbesondere wenn diese in Wellenleitern geführt werden. Im Falle von sehr dünnen Schichten, die freistehend als Membran aufgespannt sind können mechanische Veränderungen aufgezeichnet werden. In diesen nanomechanischen elektrischen Systemen (NEMS) sind insbesondere die hier zu untersuchenden Nanoschichten verwendbar. Aktuelle eigene Vorarbeiten aus einem BMBF-geförderten Vorhaben zu Drucksensoren auf Basis von 2D Schichten werden in VITAL-SENSE für die in Vivo Untersuchungen weiterentwickelt werden. In VITAL-SENSE werden diese Sensormaterialien bezüglich ihres Ansprechverhaltens charakterisiert und dann mit entsprechenden Transducern zu Sensorkomponenten umgesetzt. Auf Basis der Ergebnisse aus WP3 werden dann die geeigneten Komponenten prozessiert und gegebenenfalls modifiziert, um zum Beispiel die Sensitivität des Sensors zu verbessern. Es erfolgt ein Materialscreening und dann die entsprechende Überführung in geeignete Komponenten:

In diesem Projektabschnitt werden die Änderungen der Austrittsarbeit und der Leitfähigkeit für elektrische Messungen von Transistor- und Diodenkennlinien und Impedanz Spektroskopie an Interdigitalstrukturen genutzt. Im Anschluss werden die Änderung der opt. Absorption bzw. Emission mittels On Chip Messungen (Intensitätsmessung des Absorptionsmaximums/ Emissionsmaximums) durchgeführt. Weiter soll die Permittivität funktionaler Beschichtungen auf Split Ring Resonatoren untersucht werden. Die Abschwächung des opt. Signals von On Chip Wellenleitern können in Kollaboration untersucht werden. Der letzte Arbeitsschritt dieses Projektabschnitts betrifft die elektromechanischen Eigenschaften (NEMS): Piezoelektrischer Effekt, Änderung der Leitfähigkeit mit Verspannungen. Diese Technologie, kann dazu verwendet werden, sensitivere, miniaturisierte Drucksensoren herzustellen.

Logo des dtec.bw, daneben die Europa-Flagge mit dem Schriftzug "Finanziert von der Europäischen Union – NextGenerationEU"

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