Funktionalisierte optomechanische Schaltkreise aus Diamant für Infrarotspektroskopie und Gassensorik

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Michael Hirtz; Professor Dr.-Ing. Christoph E. Nebel; Professor Dr. Wolfram Hans Peter Pernice
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277599956

Diamant bietet außergewöhnliche Materialeigenschaften in Kombination mit zuverlässigen Bearbeitungstechniken. Besonders attraktiv für optische und mechanische Anwendungen sind insbesondere die weite elektronische Bandlücke, hohe mechanische Stabilität, ein hohes Elastizitätsmodul, die große thermische Leitfähigkeit und chemische Beständigkeit. Zudem können durch chemische Gasphasenabscheidung Diamantsubstrate in Wafergröße hergestellt werden, welche reproduzierbare und standardisierte Fertigungsbedingungen ermöglichen und somit auch für potentielle industrielle Anwendungen relevant sind. Indem neue Verfahren für die Herstellung großflächiger nanophotonischer Schaltkreise aus Diamant ausgenützt werden, können somit optische und auch mechanische Freiheitsgrade in einer Technologie vereint werden.In diesem Projekt sollen nanoskalige Bauelemente auf der Basis von Diamant für die optische Spektroskopie und mechanische Sensorik in der Gasphase entwickelt werden, mit Fokus auf dem infraroten Wellenlängenbereich. Indem optomechanische Prinzipien in nanophotonischen integrierten Schaltkreisen ausgenützt werden sollen sowohl optische als auch mechanische Resonatoren mittels einer gemeinsamen Wellenleiterarchitektur ausgelesen und für parallele Prozessierung und chipbasiertes Multiplexing eingesetzt werden. Um darüber hinaus räumlich spezifische Sensoren herzustellen sollen optomechanische Resonatoren mittels dip-pen Lithographie (DPN) funktionalisiert werden. Da DPN hohe Auflösung im Nanometerbereich bietet, können individuelle Resonatoren für die Massensensorik vorbereitet werden, was die simultane Auslese einer Vielzahl von Resonatoren in einem Schaltkreis ermöglicht. Dadurch kann sowohl qualitativ mittels optischer Spektroskopie als auch quantitativ durch nanomechanische Sensorik mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Das Projekt wird daher eine neue Materialplattform für optisch breitbandige integrierte Schaltkreise erschließen, sowie die spektrale Bandbreite aktueller optomechanischer Systeme bis tief in den Infrarotbereich strecken. Insbesondere wird das Projekt die Herstellung optomechanischer Nasen und Sensorarrays ermöglichen, mit Potential für Anwendungen in der Medizintechnik und Gassensorik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Infrarotlaser
• Gerätegruppe: 5730 Spezielle Laser und -Stabilisierungsgeräte (Frequenz, Mode)