Lithiumniobat als neue multifunktionale Plattform für Lab-on-a-Chip (LNLabChip)

• Antragstellerin: Dr. Kore Hasse
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579652860

In diesem Projekt soll Lithiumniobat (LiNbO3, LN) als multifunktionalen Plattform für Lab-on-a-Chip-Anwendungen entwickelt untersucht werden. LN besitzt eine Vielzahl physikalischer Eigenschaften, und damit viele Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise wird LN zur Erzeugung von Oberflächenwellen verwendet, welche in Lab-on-a-chip-Anwendungen zum Pumpen von Flüssigkeiten in Mikrokanälen, und zum Fangen und Sortieren von Teilchen, verwendet werden. Zurzeit ist die Herstellung von Mikrokanälen auf die Oberfläche von LN beschränkt, sodass Kanäle mit Deckeln von oben verschlossen werden müssen oder die Kanäle in zusätzlichen Proben hergestellt werden müssen, die dann auf den funktionalen LN-Chip gebondet werden. LN ist auch eine Plattform für integrierte Photonik. Aufgrund seiner nichtlinearen, elektrooptischen und akusto-optischen Eigenschaften können viele verschiedene Funktionen wie die Frequenzkonversion von Licht, oder als elektro-optische Modulation realisiert werden. Zudem gibt es verschiedene Möglichkeiten Wellenleiter in LN herzustellen. Dotiert mit Seltenerdmetallen kann es sogar als Verstärkungsmedium für Verstärker und Laser dienen. LN bietet also die sogenannte Multifunktionalität, die den meisten herkömmlichen Lab-on-a-Chip Materialien fehlt. Ziel dieses Projektes ist die Funktionalität von LN mit mikrofluidischen Strukturen und optischen Elementen zu kombinieren. Im Rahmen unserer Vorarbeiten wurde das selektive Ätzen fs-lasergeschriebener Strukturen in LN untersucht, wodurch Mikrokanäle im Volumen, und auch sehr nah der Oberfläche, hergestellt werden können. Daher ist das Hauptziel dieses Projektes diese neue Methode zu nutzen, um einen oberflächenwellengetriebenen mikrofluidischen Pumpmechanismus, für das Pumpen von Flüssigkeiten in Mikrokanälen im Volumen von LN, monolithisch in LN zu integrieren. Dieser Pumpmechanismus soll mit optischen integrierten Analysemethoden kombiniert werden. Dieser Ansatz wird die Forschung im Bereich Lab-on-a-Chip revolutionieren, da zurzeit große externe Pumpen zur Kontrolle des Flüssigkeitsflusses verwendet werden und die Integration von Mikrofluidik-Pumpen eine der größten Herausforderungen darstellt. Im Projekt wollen wir oberflächenwellenbasierte Pumpmechanismen in selektiv geätzten Mikrokanälen in LN untersuchen, sowie die Herstellung von optischen Elementen wie Mikrolinsen an der Grenzfläche zwischen fs-lasergeschriebenen Wellenleitern und selektiv geätzten Mikrokanälen, um eine effektive optische Analyse zu ermöglichen. Das Mischen von Flüssigkeiten mit Hilfe von Oberflächenwellen und die optische Anregung und Detektion von fluoreszierenden Teilchen, die in Flüssigkeiten durch Mikrokanäle transportiert werden, soll erforscht werden. Das Hauptziel des Projekts ist jedoch, sowohl die mikrofluidischen als auch die optischen Funktionen in einem LN Chip zu kombinieren. Auf diese Weise wird das Projekt zukünftig optofluidische Lab-on-a-Chip Geräte auf eine höhere Ebene der Integration heben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen