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Projekt
THz-EPR-on-a-Chip-Detektoren zur Verbesserung der Spinempfindlichkeit und spektralen Auflösung in EPR-Experimenten
Antragsteller
Professor Dr. Jens Anders; Professor Dr. Klaus Lips
Fachliche Zuordnung
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469042906
Die Elektronenparamagnetresonanz (EPR) gehört zu den leistungsfähigsten Analysemethoden in der Chemie, Physik, Medizin und den Materialwissenschaften. Sie nutzt ungepaarte Elektronenspins als Sonden, um die Struktur-Funktion-Beziehung komplexer Materialien und Grenzflächen aufzuklären. Leider stehen den prinzipiell breiten Anwendungsmöglichkeiten der EPR – bedingt durch das in der konventionellen EPR zum Einsatz kommenden resonatoarbasierte Messprinzip – sehr hohe Gerätekosten, eine mäßige Empfindlichkeit und eine unzureichende Flexibilität in der Probenumgebung gegenüber. Das beantragte Projekt zielt darauf ab, die oben genannten Einschränkungen der EPR zu überwinden, indem der kürzlich vorgestellte EPR-on-a-chip (EPRoC)-Ansatz, der den Sensor inkl. der gesamten Spin-Anrege- und Ausleseelektonik auf einem einzigen integrierten Schaltkreis vereint, vom GHz- in den THz-Bereich zu übertragen. Insgesamt werden die aus dem Projekt hervorgehenden THz-EPRoC-Spektrometer, die experimentelle Komplexität sowie die Kosten der THz-EPR stark reduzieren und gleichzeitig eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit und spektrale Auflösung bieten, die mindestens zwei Größenordnungen besser als bei GHz-EPRoC ist. Zu diesem Zweck werden wir eine neue Klasse von spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCOs) sowohl theoretisch erforschen als auch experimentell untersuchen und die segmentierten VCO-Spulen als THz-Magnetfeldquellen und EPR-Detektoren nutzen. Im Rahmen des Projekts werden wir diese neue THz-Technologie verwenden, um Defekte im Grenzflächenbereich des kristallinen Silizium-Absorbers mit der selektiven amorphen Silizium-Kontaktschicht in Hocheffizienz Silizium/Perowskit-Einzel- und Tandemsolarzellen untersuchen. Dabei werden wir eine noch nie dagewesene Nachweisempfindlichkeit von nur wenigen hundert Defekten erreichen, indem wir die paramagnetischen Defekte als magnetischen Fingerabdruck im Strom der Solarzelle sowohl unter Umgebungsbedingungen als auch bei Flüssigheliumtemperaturen detektieren. Das Projekt wird den Machbarkeitsnachweis für das immense Anwendungspotenzial der THz-EPRoC-Spektroskopie liefern und dazu beitragen, den technologischen Weg für eine breite Anwendung der THz-EPR-Spektroskopie in den Materialwissenschaften, der analytischen Chemie und der biomedizinischen Forschung zu ebnen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
