Molekulare Schalter-assistierte, planare Polymer-Wellenleiterarrays zur integrierten optischen Sensorik

• Antragsteller: Professor Dr. Franz Renz; Professor Dr. Bernhard Roth
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461168526

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung neuartiger optischer Sensorkonzepte basierend auf planaren Polymer-Lichtwellenleiterstrukturen, die mit molekularen Nanoschalter-Materialien funktionalisiert werden. Die Kombination dieser beiden Materialsysteme soll integrierte Wellenleiter-Strukturen mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften schaffen, die mittels rein optischer Prinzipien physikalische oder chemische Größen der Umgebung wie etwa Säuren/Basen, Feuchtigkeit und Temperatur sensitiv erfassen können und somit eine neue, flexible und ressourceneffiziente Klasse von Verbundmaterialien für die Sensorik erschließen. Die Änderung der optischen Eigenschaften der Wellenleiter-Strukturen soll in Abhängigkeit verschiedener Parameter untersucht werden: (i) der Änderung des Spins der maßgeschneiderten schaltbaren Molekülkomplexe (Nanomaterialien), die zur Funktionalisierung in oder auf den Wellenleiter-Arrays integriert werden, (ii) dem Einfluss der Dotierung der Polymere mit den schaltbaren Molekülkomplexen sowie (iii) dem Einfluss von Wellenleitergeometrie. Dazu ist es erforderlich, die Schaltmoleküle so auszulegen, dass sie auf verschiedene externe Stimuli wie Temperatur, Feuchtigkeit oder bloße Anwesenheit von bestimmten chemischen Verbindungen in ihrer Umgebung (z. B. Säuren oder Basen), also einer Änderung des Brechungsindex, reagieren und in der Folge ihre optischen Eigenschaften wie etwa das Absorptionsverhalten oder auch ihre Größe ändern. Die daraus resultierende Störung wirkt sich wiederum auf die Lichtpropagation im Material aus und soll zur optischen Signalerzeugung und damit zur Sensorik ausgenutzt werden. Die wissenschaftlichen Herausforderungen sind: (i) die Herstellung neuartiger Polymer-Wellenleiterarrays, bei denen die Lichtausbreitung durch gezielte Ein-/Aufbringung von schaltbaren Molekülkomplexen gesteuert wird, (ii) die maßgeschneiderte anisotrope Verteilung von schaltbaren Molekülkomplexen in den Wellenleiterstrukturen, die eine Änderung der Absorptionseigenschaften und damit der evaneszenten Felder außerhalb der Wellenleiter hervorrufen, (iii) die Erzeugung von Multiplex-fähigen Strukturen, die diese Schaltermoleküle in bestimmten Bereichen der Wellenleiter anhäufen und somit Sensorbereiche für unterschiedliche Größen schaffen sowie (iv) die genaue Quantifizierung der veränderten optischen Eigenschaften und deren Evaluation für photonische Anwendungen, also optische Sensorik oder Lab-on-chip-Systeme. Ultimatives Ziel dieses Projektes ist die erstmalige Ausnutzung von neuartigen Polymer-Lichtwellenleiterstrukturen in Kombination mit maßgeschneiderten molekularen Schaltern zur Steuerung der optischen Eigenschaften der erzeugten Verbund-Materialsysteme und Schaffung der Grundlagen für neue, integriert-optische Sensorapplikationen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen