Optische Evaneszenzfeld-Fasersensoren mit funktionalisierten nanoporösen, hoch brechenden Sol-Gel-Beschichtungen
Final Report Abstract
In diesem Forschungsprojekt wurden Untersuchungen zur Realisierung eines faseroptischen Evaneszenzfeldsensors durchgeführt, welcher auf hochbrechenden porösen Sol-Gelbasierten TiO2-Schichten auf Glasfasersubstraten basiert. Aufgrund des hohen Brechungsindexes von Titandioxid lassen sich so prinzipiell dünne, stark führende optische Wellenleiterschichten herstellen. Die Schichten wurden unter Nutzung partikulärer Dispersionen bzw. über die Sol-Gel-Synthese hergestellt und mittels eines Tauchverfahrens auf Kieselglassubstrate aufgetragen. Während über Sol-Gel-Synthese hergestellte TiO2-Schichten bis zu einer Temperatur von 550 °C amorph vorliegen und erst oberhalb dieser Temperatur als Anatas kristallisieren, liegen Anatas-Partikel in kommerziell erhältlichen Dispersionen vor. Es hat sich gezeigt, dass im Hinblick auf die Anwendung als Evaneszenzfeldsensor dispersionsbasierte Verfahren überlegen sind, da so der thermische Aufwand für eine Schichtverfestigung geringer ist, eine hohe Porosität erzielt werden kann und die Streuverluste für optische Wellenleitung aufgrund der kleinen resultieren Partikelgrößen gering gehalten werden können. Die Präparation von TiO2-Schichten auf Kieselglassubstraten erfolgte über unterschiedliche Präparationsrouten. Eine Optimierung von relativ dicken Einfachschichten (>300 nm) über das Sol-Gel-Verfahren konnte auch mit einer Erhöhung der Viskosität nicht erreicht werden, da hier Rissbildung auftrat. Für partikuläre TiO2-Schichten konnte dagegen ein Anstieg der Schichtdicke auf 150 nm über eine Verlängerung der Eintauchzeit in die Beschichtungslösung erzielt werden. Für einzelne Versuchsreihen wurden Mehrfachschichten mit Dicken bis zu 800 nm und Konsolidierungstemperaturen von 100 °C bis 1000 °C hergestellt. Die Schichten wurden bezüglich ihrer Dicke mit der Profilometrie und Ellipsometrie, die optischen Eigenschaften mit UV-Vis-Spektroskopie, Modenspektroskopie und Prismen-Koppler- Methode sowie Ellipsometrie, die topographischen Eigenschaften mittels Rasterkraftmikroskopie und strukturellen Eigenschaften mit Hilfe eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops charakterisiert. Die Phasenbestimmung der vorliegenden Kristallmodifikation erfolgte mittels der Röntgenbeugungsanalyse unter streifendem Einfall. Die Herstellung von TiO2-Schichten auf Glasfasern als Substratmaterial war ebenfalls mit Einschränkungen möglich. Schwierigkeiten hingegen bereitete die direkte Einkopplung von Licht in die TiO2-Schicht auf beschichteten Monomodeglasfasern, da hier der Überlapp der eingestrahlten Welle mit dem Modenfeld sehr gering ist. Zur Demonstration des Sensorprinzips am Beispiel der IR-Absorption von CO2 bei der Wellenlänge 1572,4 nm wurden daher Streifenwellenleiter und Fabry-Perot-Resonatoren in dem Substratmaterial LiNbO3 zusätzlich mit porösen TiO2-Filmen beschichtet. Allerdings konnte weder mit der Fabry-Perot-Methode, noch mit direkten Transmissionsmessungen ein Nachweis von (adsorbiertem) CO2 auf der Sensoroberfläche erzielt werden. Transmissions- und Reflexionsmessungen mittels UV-Vis-Spektroskopie zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der vorliegenden Kristallmodifikation: Mit zunehmender Konsolidierungstemperatur nimmt die Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich deutlich ab. Die Ursache liegt in einer zunehmenden Verdichtung der Schichten mit der Konsolidierungstemperatur bzw. mit der Zeit und der damit verbundenen Phasenumwandlung von Anatas zu Rutil, wodurch sich der Brechungsindex signifikant erhöht und gleichzeitig die Porosität erniedrigt. Zur Berechnung der Porosität auf Basis der effektiven Brechzahl wurden eine große Zahl verfügbarer Massendichte-Daten genutzt, die unabhängig von einer Effektiven-Medien-Theorie durch physikalische Messungen bestimmt wurden. Die Analyse verschiedener Mischungsmodelle erlaubte die Bestimmung der Abhängigkeit der Brechzahl von der Massendichte. Im Ergebnis konnte eine Gleichung der Form (n2-1)/(n2+2) = AρB mit A = 0.29 und B = 0.61 angepasst werden, mit deren Hilfe die Porosität bzw. die Verdichtung der hergestellten TiO2-Schichten beschrieben werden kann.
Publications
- “Optical evanescence fibre sensor with functionalized, nanoporous sol-gel films”, in: 10th European Society on Glass (ESG) Conference, Magdeburg, Deutschland, 2010
Matthias, A., Deubener, J., Kip, D.
- “Optical properties of nanoporous TiO2 thin films on glass using different pore-forming agents”, in: 12th International Congress on Glass, Bahia, Brasilien, 2010
Matthias, A., Deubener, J., Kip, D.
- “Herstellung und Charakterisierung nanokristalliner TiO2-Schichten auf Quarzglasfasern für optische Anwendungen“, in: 85. Deutsche Glastechnische Tagung (DGG), Saarbrücken, Deutschland, 2011
Matthias, A., Raicevic, N., Deubener, J., Kip, D.
- “The use of Swanepoel-Method for the characterisation of sol-gel derived thin films”, in: 11th European Society on Glass (ESG) Conference, Maastricht, Niederlande, 2012
Matthias, A., Raicevic, N., Donfeu Tchana, R., Schultz, C., Deubener, J., Kip, D.
