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Nanodrähte und Nanofasern zur Entwicklung von neuartigen photonischen Sensoren

Sandra Börner, Farzaneh Fattahi, Konrad Hohmann, Wolfgang Schade

Optische Fasern mit Durchmessern im mm-Bereich oder ATR (Attenuated Total Reflection) Elemente werden unter Ausnutzung einer evaneszenten Wechselwirkung mit umgebenden Medien, wie z.B. Gasen oder Flüssigkeiten, zur Detektion im nahen infraroten (NIR) oder mittleren infraroten (MIR) Spektralbereich genutzt. Herkömmliche Methoden zur Steigerung der Sensitivität dieser Sensoren sind beispielsweise eine Erhöhung der Anzahl der Totalreflexionen oder spezielle sensitive Beschichtungen.

Abb. 1: REM-Aufnahme eines senkrechten ZnO Nanodrahtes auf Saphir gewachsen
bei 1160°C (links). REM-Aufnahme von Nanostrukturen bei 500°C (rechts)

Nanodrähte können sowohl eine oberflächenvergrößernde "Schicht” auf wellenleitenden Elementen, als auch Nano-Sensoren aus einzelnen Drähten bilden. Integriert in optischen Sensorsystemen tragen sie zur Steigerung der Effizienz und zur Miniaturisierung bei. Nanodrähte besitzen in einer Dimension eine Ausdehnung im Nanometerbereich und sind dadurch kleiner als die üblich genutzten NIR und MIR Wellenlängen. ZnO Nanodrähte wachsen bei hohen Temperaturen durch einen Verdampfungs-und Depositionsvorgang von Graphit und ZnO Pulver ("VLS"-Prozess). Sie besitzen eine hexagonale Form (Abb. 1, links) und einen hohen Brechungsindex sogar bei Wellenlängen im NIR und MIR. In Abhängigkeit der Reaktionsbedingungen können gerade, senkrecht wachsende Säulen oder eine Vielzahl anderer Strukturen entstehen (Abb. 1, rechts). Ziel ist es, die Wellenleitung qualitativ hochwertiger ZnO Nanodrähte für die Detektion von Gasen auszunutzen. Wird Licht in einem Nanodraht geführt, so befindet sich ein großer Teil dieses Lichtes als evaneszentes Feld außerhalb der Struktur. Dieser Effekt ist in Abb. für eine Absorptionswellenlänge von CO2 dargestellt. Nimmt der Durchmesser eines Nanodrahtes ab, kann das sich
ausbreitendeevaneszente Feld beinahe 100% des gesamten geführten Lichtes betragen. Infolge dessen wird die Wechselwirkung mit dem umgebenden Medium erhöht.

Abb. 2: Dreidimensionale Darstellung des elektrischen Feldes eines ZnO
Nanodrahtes mit Durchmesser D=500nm (links) und D=1000nm (rechts).

 

Eine weitere Möglichkeit, die Erhöhung des evaneszenten Feldes eines Sensorelementes auszunutzen, besteht in der Verwendung von "Nano-Fasern". Nano-Fasern sind herkömmliche mm-Quarz-Fasern, die durch systematisches Erhitzen und Ziehen bearbeitet werden, um eine partielle Verjüngung in den nm-Bereich zu erreichen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist die direkte Einkopplung von Licht in und aus der Faser selbst, wodurch der Einsatz als evaneszenter Sensor vereinfacht wird.

Während die generelle Funktionsweise dieser Sensoren an O2, CO 2 oder CO gezeigt wird, ist auch der Nachweis von Sprengstoffen, wie TNT oder TATP denkbar.

Dieses Projekt wird gefördert durch:

  • NanoSens, Förderprogramm des BMWi: 16IN0462
  • ChipSenSiTech, Förderprogramm des BMBF: 13N9475
 

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