SPP 1839:  Tailored Disorder - A science- and engineering-based approach to materials design for advanced photonic applications

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Biologie ; Chemie ; Geowissenschaften ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Physik ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255652081

Das SPP “Tailored disorder – A science- and engineering-based approach to materials design for advanced photonic applications” erforscht photonische Eigenschaften von Material-Kompositen mit absichtlich herbeigeführten Unregelmäßigkeiten in Form und Zusammensetzung. Dabei werden für natürliche und künstlich optimierte Materialien sowohl fundamentale wissenschaftlichen Fragen als auch Aspekte der Material- und Ingenieurswissenschaften betrachtet. Das SPP wird die Entwicklung neuartiger photonischer Materialien ermöglichen, indem Inspiration aus biologischen Systemen mit Ergebnissen aus Physik und Chemie sowie numerischen Resultaten kombiniert werden. Letztendlich führt dies zu optimierten Lösungen für eine Vielzahl photonischer Anwendungen, deren Leistungsfähigkeit in maßgeschneiderter Unordnung von 3D Mikro- und Nanostrukturen gründet.Vor kurzem wurde gezeigt, dass in photonischen Bauteilen nicht nur exakte Periodizität zu einer gewünschten Funktionalität führen kann. Ein definierter Grad von Unordnung kann unvorhergesehene optische Effekte hervorrufen. Somit kann maßgeschneiderte Unordnung Design-Richtlinien zur Herstellung robuster, multifunktionaler Materialien für komplexe Umgebungen und Anwendungen bieten. Jedoch herrscht ein großes Ungleichgewicht zwischen theoretischem Verständnis und real verfügbaren Materialien und Geräten. Derzeit sind nur wenige Methoden zur Herstellung von Materialien mit maßgeschneiderter Unordnung bekannt.Die Ziele des SPPs beinhalten die erfolgreiche Herstellung definierter ungeordneter Materialien mit vorher bestimmten photonischen Eigenschaften, welche in technologischen Demonstratoren münden.Bisher identifizierte theoretische und künstliche Systeme sind nicht nur in ihrer Leistungsfähigkeit beschränkt, ihre Herstellung ist zudem zu teuer für einen breiten technologischen Einsatz. Deswegen werden neue Herstellungs- und Synthesemethoden benötigt, um das wissenschaftliche Verständnis mit fortschrittlichen Konstruktionsstrategien zu verbinden.Eines der Hauptziele ist die Identifizierung von Nano-Architekturen in biologischen Systemen, welche spezialisierte optische Eigenschaft mit Hilfe ungeordneter photonischer Nanostrukturen erzielen, etwa bei Flügeln von Schmetterlingen und anderen Insekten. Deren selektive Lichtbeugung und -brechung wird daraufhin experimentell und theoretisch untersucht, mit besonderem Augenmerk auf (Un)Ordnung und (Un)Regelmäßigkeiten, um Blaupausen für künstliche, bio-inspirierte Nanoarchitekturen zu identifizieren. Die vielversprechendsten Ansätze werden experimentell mit Hilfe laborbasierender Nanofabrikation nachgebildet.Um dieses Forschungsfeld über den Punkt reiner Beobachtung voran zu treiben, wird ein echt interdisziplinärer Ansatz gewählt, basierend auf (i) biologischen Blaupausen, (ii) bio-inspirierter Nachbildung und (iii) schlussendlich Design-Regeln für die Herstellung, Strukturierung und Optimierung von photonischen Nanoarchitekturen mit maßgeschneiderte Unordnung.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme

Projekte

• Ausnutzung maßgeschneiderter Unordnung in dielektrischen Nanooberflächen zur Maximierung von deren Informationskapazität (Antragstellerinnen / Antragsteller Pertsch, Thomas ;  Rockstuhl, Carsten ;  Staude, Isabelle )
• Breitbandreflektierende Fasern mit maßgeschneiderten Strukturen nach dem Vorbild von Wüstenameisen (Antragsteller Fabritius, Helge-Otto ;  Tiemann, Michael )
• Design und Kontrolle von Vielfachstreuung in ungeordneten Wellenleitern (Antragsteller Busch, Kurt ;  Pernice, Wolfram Hans Peter )
• Erzeugung der Farbe und Erscheinung von Oberflächen in Real- und Fourierraum durch maßgeschneiderte Unordnung (Antragsteller Giessen, Harald ;  Weiss, Thomas )
• Fluktuations-dominierte Materialien für neuartige photonische Strukturen (Antragsteller Lienau, Ph.D., Christoph ;  Runge, Erich ;  Schaaf, Peter )
• Kombinierte materialwissenschaftliche und bioinspirierte Generierung maßgeschneiderter Unordnung in funktionellen optischen Materialien (Antragsteller von Freymann, Georg ;  Zollfrank, Cordt )
• Kontrolle der optischen Eigenschaften von irregulär nanotexturierten Schichten durch Anderson Lokalisierung (Antragsteller Aeschlimann, Martin ;  Brixner, Tobias ;  Pfeiffer, Walter )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Zollfrank, Cordt )
• Lichtmanagement durch ungeordnete Nanostrukturen in optoelektronischen Bauelementen (LAMBDA) (Antragsteller Bittkau, Karsten ;  Gomard, Guillaume )
• Lichtstreuende Grenzflächen mit maßgeschneideter Unordnung und binärem Oberflächenprofil (Antragsteller Rockstuhl, Carsten ;  Wehrspohn, Ralf B. )
• Maßgeschneiderter diffusiver Lichttransport (Antragsteller Wegener, Martin )
• Nicht-Markovische zeitkontinuierliche Quantenzufallsbewegung mehrerer wechselwirkender Teilchen (Antragsteller Busch, Kurt ;  Perez Leija, Armando ;  Szameit, Ph.D., Alexander )
• Photonische Kristallfasern mit ungeordneter Mantelstruktur - ein neuer Weg zu verbesserter Lichtleitung in Defektkernen (Antragsteller Schmidt, Markus A. ;  Weiss, Thomas )
• Poröse Polymerfilme mit passgenauen Streuungseigenschaften (Antragsteller Gomard, Guillaume ;  Hölscher, Hendrik )
• Quasi-ungeordnete Strukturen mit vollständiger photonischer Bandlücke 2D und 3D mit beliebig kleinen Brechungsindexkontrasten (Antragsteller Eich, Manfred )
• Ungeordnete photonische Strukturen in organischen Mikrolasern (Antragsteller Leo, Karl )
• Zugang zu gezielter struktureller und chemischer Fehlordnung in Metalloxid Dünnschichten für verbesserte Lichtabsorption (EnLight) (Antragsteller Gurevich, Evgeny ;  Mathur, Sanjay )

• Sprecher: Professor Dr. Cordt Zollfrank