Oberflächenplasmon-Polariton basierte monolithisch integrierbare THz-Sensoren für Lab-on-Microchip Anwendungen
Final Report Abstract
Die Zielsetzungen der Arbeitsgruppe (AG) Haring konzentrierten sich im Wesentlichen auf folgende Themen: • Erforschung von THz-SPP-Eigenschaften in Lab-on-Microchip kompatiblen Materialien • Aufbau eines spektral hochaufgelösten THz time-domain-spectroscopy (TDS) Messsystems welches SPP Propagation messen kann • Modellierung, Untersuchung und Optimierung von SPP-Sensorkonfigurationen insbesondere bzgl. Koppeleffizienz. Die Zielsetzungen der Arbeitsgruppe (AG) Böhm konzentrierten sich im Wesentlichen auf folgende Themen: • Entwicklung eines Dickschicht-Prozesses (Prozessstruktur) für einen Polyimidphotlack mit im THz-regime optimierten SPP-Propagationseigenschaften • Entwicklung eines Dünnschicht-Prozesses (Prozessstruktur, Photomaskenerstellung) zur Herstellung mikrofluidischer Kanalstrukturen mit hohem Aspektverhältnis • Entwicklung eines geometrieoptimierten, metallisierten Führungsdeckels • Herstellung einer adiabatischen und thermisch stabilen Verpressvorrichtung zur Verbindung von Polyimidlack und metallisierter Deckglaslinse. Es wurde eine THz-Sensorstruktur als Basis für eine Technologieplattform entwickelt, die für den integrierten Einsatz in miniaturisierten Lab-on-Microchips geeignet ist und insbesondere Messungen mit stark absorbierenden Medien erlaubt. Durch die Untersuchungen an dem Polyimid Durimide®7020 konnte gezeigt werden das das Material im Vergleich zu dem bisher eingesetzten Negativphotoresist SU-8®2000 ein verbessertes Transmissionsverhalten im THz–Regime mit vergleichbar zu realisierenden Aspektverhältnissen und einer funktionalen Kompatibilität zu dem angewendeten adiabatischen Verbindungsprozess aufweisst. Der Aufbau eines spektral hochaufgelösten TDS-THz-Spektroskopiesystems konnte im Rahmen einer Studienarbeit realisiert werden, welches die Phasen- und Amplitudenaufgelöste Messung von SPP Strukturen über den Frequenzbereich von 0,2 – 3,0 THz ermöglicht und dabei bei Beibehaltung der fs-Zeitauflösung eine flexible Variation von Ein-koppelsituation und SPP-Propagationsstrecken ermöglicht. Die Anforderung nach einer hochgenauen und reproduzierbaren Positionssteuerung ergab sich bei der Untersuchung der modellierten und hergestellten SPP-Sensorkonfigurationen im Laufe des Projekts. Es wurden unterschiedliche Kopplungskonfigurationen eines SPP an eine Halbleiteroberfläche im Verlauf des Projekts untersucht. Die analytische und numerische Modellierung und Untersuchung der Gratingstrukturen ergab das aufgrund der geringen Koppeleffizienz von Gratingstrukturen eine signifikante Steigerung der Sensitivität der TDS-THz SPP Propagationsanalyse von zunächst erzielten 47 dB auf >71 db nötig wäre, um propagierende SPPs an einer Halbleiteroberfläche zu detektieren. Als Alternative wurde daher eine adiabatische Aperturkopplung mit technologisch einfachen Mitteln realisiert und experimentell untersucht. Die Lokalisierung und Führung von SPPs an Halbleiteroberflächen im Bereich zwischen 100 GHz und 600 GHz konnte mit einer Aperturgröße von ca. 680 µm erfolgreich demonstriert werden. Zukünftige Arbeiten können sich nun basierend auf der entwickelten Technologieplattform mit der Untersuchungen an bio/chemischen Modellsystem befassen.
