ForschungVerbundprojekte
Planos SFB/TRR 123

Sonderforschungsbereich Planos SFB/TRR 123

Entwicklung von großflächigen, polymerbasierten Sensorfolien unter Anwendung ausschließlich optischer Messprinzipien

PlanOS hatte es sich zum Ziel gesetzt, eine neue Generation von ausschließlich polymerbasierten optischen Folien zu entwickeln, auf welchen großflächig optische Sensoren integriert werden. Durch die Nutzung von Licht, um Messgrößen wie etwa Temperatur, Dehnung oder Konzentrationen von chemischen Verbindungen zu messen, kombinieren die PlanOS-Folien mikrooptische Komponenten mit Herstellungsverfahren zur großflächigen Produktion. Unsere Vision ist es, Sensortechnologie bereitzustellen, welche im industriellen Maßstab auf einer großflächigen, nur 100 Mikrometer dicken sowie flexiblen Polymerfolie realisiert werden kann. Vielfältige Anwendungen sind denkbar: von der Luftfahrtindustrie und der Verpackungsbranche hin zu Bauwerksüberwachung und Molekularanalytik in den Lebenswissenschaften.

Unsere Chemiker entwickelten maßgeschneiderte Materialien für die Verwendung als optischer Wellenleiter oder Substrat. Physiker und Ingenieure bauten Lichtquellen und Detektoren, und verbesserten so existierende Sensortechnologie wie etwa Arrayed-Waveguide- und Fiber-Bragg-Gitter. Andere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten neue Konzepte, um Licht in neuartigen Sensor-Netzwerken zu verarbeiten. Zudem arbeiteten Ingenieurinnen und Ingenieure daran, die Ergebnisse in eine kosten- und ressourcenschonende Massenproduktion zu überführen.

PlanOS war ein Sonderforschungsbereich (Transregio), welcher von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert wurde. Die Projektpartner kamen von der Leibniz Universität Hannover, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, dem Laser Zentrum Hannover e.V., sowie den Technischen Universitäten Clausthal und Braunschweig.

TRAGENDE INSTITUTIONEN

Förderer des SFB/TRR 123 war die Deutsche Forschungsgemeinschaft

PROJEKTE IN PLANOS

PROJEKTBEREICH A

  • A01 - Polymerhybridmaterialien für das Prägen

    Leitung: Prof. Rühe

    Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Methoden zur Erzeugung (thermo-)stabiler Mikro- und Nanostrukturen in Polymerfolien für großflächige mikrooptische Anwendungen. Das Konzept basiert auf der Kombination einer chemischen Vernetzung von Präpolymeren, die thermisch aktivierbare Gruppen enthalten, mit Methoden des Mikro- und Nanoimprintings. Zum Einsatz sollen dabei Einkomponenten­systeme aus folienbildenden (Co-)Poly­meren kommen, die unter der Einwirkung von Temperaturen, wie sie während des Präge­vorgangs auftreten, vernetzen und so die abgeformten Strukturen konservieren.

    Die Vernetzungsprozesse sollen in dem vorgeschlagenen Konzept durch thermisch aktivierte Radikal- oder Insertions­reaktionen bewirkt werden. Als erste Beispiele für Gruppen, die den Vernetzungsprozess induzieren, sollen (substituierte) Sulfonyl­azide in die Polymere eingebaut werden.

    Die Netzwerkbildung bewirkt, dass die entsprechenden Folienkompo­nenten unschmelzbar, unlöslich und stabil gegen permanente Verformung wie zum Beispiel Fließen oder Kriechen sind. Dadurch sollen insbesondere Strukturverrundungen, wie sie beim Entformen nach dem Prägevorgang auftreten, stark reduziert oder sogar vermieden werden. Abhängig von Vernetzungsdichte und Art des eingesetzten Polymeren können dabei optische Folien mit angepasster mechanischer Flexibilität erhalten werden.

    Um die optischen Eigenschaften der Folien an die jeweilig gewünschten Brechzahlen anpassen zu können, sollen aus den polymeren Grundkomponenten und anorganische Nanopartikeln Komposit-Systeme entwickelt werden, die auf das gewünschte Eigenschaftsprofil hin gezielt maßgeschneidert sind. Dabei sollen sowohl auf Sol-Gel-Prozessen basierende Ansätze als auch Ansätze, die auf der Kompatibilisierung und Einmischung der Nanopartikel beruhen, verfolgt werden.

    Der Einfluss der Zusammensetzung der Polymeren bzw. Komposite auf optischen Eigenschaften und die thermische und mechanische Stabilität von Folien mit geprägten Mikrooptikstrukturen soll untersucht werden.

  • A03 - Polymeroptische Quellen und Senken

    Leitung: Prof. Kowalsky

    Das Teilprojekt A03 - Polymeroptische Quellen und Senken - beschäftigt sich mit dem Einsatz organischer Leuchtdioden (OLEDs) sowie organischer Photodetektoren (OPDs) als wellenleiter-integrierte Sende- und Empfangselemente. Dieser Ansatz stellt eine konsequente Erweiterung des PlanOS-TRR-Projektes dar. Der Vorteil liegt in der Kompatibilität zur Technologieplattform in PlanOS, was gegenüber konventionellen Technologien, z.B. basierend auf anorganischen LEDs und Photodetektoren, eine direkte Integration der aktiven Bauelemente ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeiten in A03 liegt daher auf den grundlegenden Fragestellungen zur Integration von OLEDs, OPDs und Polymerwellenleiter.

    In Abbildung 1 ist eine solche Übertragungsstrecke dargestellt. Am Institut für Hochfrequenztechnik sind bereits umfangreiche Kenntnisse im Bereich der OLEDs vorhanden. Für die OPDs sollen organische Solarzellen als Basis dienen. Auch in diesem Bereich konnte das IHF Erfolge verbuchen. Die Herausforderung des Projektes besteht in der Integration dieser Elemente mit einem Wellenleiter idealerweise auf einem Substrat in wenigen Prozessschritten.

    In Abbildung 2 ist ein Wellenleiter im Messaufbau mit eingekoppeltem Licht dargestellt. Auf einen solchen Wellenleiter sollen später die aktiven Komponenten aufgebracht werden.

  • A04 - Nanopartikeldotierte Polymerkomposite für laseraktive Wellenleiter

    Leitung: Prof. Chichkov

    Im Projekt werden Kunststoffmaterialien mit optische aktiven Eigenschaften entwickelt, welche für die Produktion laseraktiver Bauteile benötigt werden (Abb. 1). Vorteile von Kunststoffen im Vergleich zu Gläsern als Matrixmaterial liegen in der einfacheren Verarbeitbarkeit und der freien dreidimensionalen Formgebung durch Spritzguss und Prägeverfahren. Als Zielkunststoff wird zunächst in diesem Projekt Plexiglas (PMMA) aufgrund seiner allgemeinen Akzeptanz als optischer Kunststoff anvisiert.

    Die optisch aktiven Eigenschaften werden ermöglicht durch Ausstattung der Kunststoffmatrix mit Nanomaterialien, welche im Folgenden als Nanokomposite bezeichnet werden. Die optisch aktiven Nanomaterialien werden durch Einsatz des Verfahrens „gepulste Laserablation in Flüssigkeiten“ hergestellt. Dieses physikalische Herstellungsverfahren ermöglicht die Generierung von Nanopartikeln aus beinahe beliebigen Materialien in Flüssigkeiten. Damit die Nanokomposite sinnvoll in optischen Anwendungen eingesetzt werden können, muss eine Verklumpung (Agglomeration) der Nanophase innerhalb der Kunststoffmatrix vermieden werden. Hierzu wurde am Laser Zentrum Hannover e.V. eine lösungsmittelbasierte Compoundiermethode entwickelt.  

    Als optisch aktive Nanomaterialien kommen Nanopartikel auf Basis der Lanthanoide (Metalle der seltenen Erden) infrage, welche seit langem in Laserkristallen Anwendung finden. Im Projekt werden Nanopartikel auf Basis der Lanthanoide in verschiedenen Varianten untersucht. Zum einen werden Nanopartikel aus seltenerddotierten Gläsern und Kristallen generiert. Weiterhin werden Nanopartikel direkt aus den Metallen und Seltenerdoxiden hergestellt. Die Nanomaterialien und Nanokomposite werden im Hinblick auf eine optische Anwendung mittels UV-Vis Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Fluoreszenzspektroskopie analysiert (Abb. 2). Der Einsatz verschiedener Nanopartikelmodifikationen ermöglicht die Analyse des Einflusses der Kunststoffmatrix und der Modifikation selber auf wichtige optische Eigenschaften wie Fluoreszenz, Streuung und optische Verstärkung.

    Für die optische Charakterisierung der Nanokomposite werden makroskopische Testkörper mittels Spritzguss hergestellt. Die Herstellung aktiver und passiver Wellenleiter in diesem Teilprojekt erfolgt durch das Imprintverfahren.

  • A05 - Optodisches Bonden und Eutektisches Bonden von Halbleiterchips auf Folie

    Leitung: Prof. Overmeyer und Prof. Maier

    Das langfristige Ziel des SFB/TRR 123 ist es, optische Quellen und Senken direkt im Polymer zu erzeugen. Möglichkeiten dazu werden im SFB/TRR 123 im Teilprojekt A03 und A04 erforscht. Mittelfristig ist allerdings die Verwendung halbleiterbasierter Quellen und Senken unumgänglich. Hybride Lösungen aus Halbleiter und Polymeren werden einen wesentlichen Teil der Anwendungen ausmachen. Insbesondere als Pumpquellen für Laser in der optischen Folie und zur Analyse von Spektren werden Halbleiterbauelemente weiterhin eine wichtige Rolle spielen.

    Die Montage von Chips auf Folien ist beispielsweise im Bereich der RFID-Transponder Stand der Technik. Hierbei kommen allerdings wärmehärtende Kleber zum Einsatz, die entweder sehr lange Prozesszeiten benötigen oder nur auf temperaturbeständigen Substraten verwendbar sind. Der größte Vorteil des optodischen Bonden über die thermische Aushärtung ist der geringe thermische Einfluss. Dies ist insbesondere interessant für thermisch empfindliche Substratmaterialien wie Polymerfolien, z. B. PMMA, PET und PVC, um thermisch induzierte Beschädigungen zu vermeiden. Ziel dieses Teilprojekts ist es, einen Kontaktierungsprozess zu entwickeln, der kurze Prozesszeiten ermöglicht, ohne die Folie oder den Chip thermisch zu beanspruchen.

    Im Teilprojekt A05 werden zwei Ansätze verfolgt, um den Chip mechanisch auf dem Foliensubstrat zu fixieren und somit eine optische Ankopplung zu erlauben. Ein mögliches Verfahren stellt die Verwendung UV-härtender Klebstoffe dar. Diese werden zur mechanischen Fixierung und wenn möglich zur elektrischen Kontaktierung verwendet. Das zur Härtung notwendige UV-Licht wird dabei durch die Folie hindurch eingebracht. Der zweite Ansatz ist das eutektische Bonden, wobei die nötige Wärmeenergie gering ist und mittels Laser örtlich und zeitlich so begrenzt eingekoppelt wird, dass das Foliensubstrat thermisch nicht beeinträchtigt wird. Bisherige Verfahren erreichen Festigkeiten von 20 N/mm² und mehr, dies wird auch in diesem Projekt angestrebt. Damit eine Beschädigung der optischen Folie vermieden wird, ist eine Prozesstemperatur unterhalb von 90°C anzustreben.

    Für beide Prozessvarianten ist zu untersuchen, wie sich neben der elektrischen und mechanischen Verbindung die optische Kontaktierung zuverlässig gewährleisten lässt. Im Falle der UV-härtenden Kleber dient der Kleber gleichzeitig als optisches Übertragungsmedium. Beim eutektischen Bonden wird nach dem Bondprozess ein geeigneter Underfill verwendet, der optisch an den Chip und an das Substrat angepasst ist. Die optische Verbindung zwischen Lichtwellenleiter und Chips können auch mit Hilfe von Tintenstrahl-Drucken (siehe B01) realisiert werden. Darüber hinaus ist geplant, die Ein- und Auskopplung des Lichts durch das Einprägen von Koppelstrukturen in die Kontaktstelle zu verbessern (vgl. B04).

    Für die Signalübertragung werden halbleiterbasierte LED, Laser- oder Photodioden im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1.100 nm auf deren Eignung hin untersucht. Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der in diesem Projekt zu lösenden Aufgaben.

    Für optodisches Bonden mittels UV-härtenden Klebstoffen wurde eine Lichtquelle mit einer externen LED-UV Lampe aufgebaut und in eine Flip-Chip-Bonden Montagevorrichtung integriert. Abb. 3 (links) zeigt die schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus, in dem die Beleuchtung von unten geführt wird, während die Beleuchtung in der Abb. 3 (rechts) mit LED-UV Lampen von oben realisiert wird.

    Für eutektisches Bonden soll die Technologieentwicklung zur Montage der Chips auf der Folie in zwei Schritten erfolgen. In einem ersten Schritt werden die Chips auf einem Si-Träger konventionell aufgebracht und dieser Träger mit der Folie verbunden. Mit diesem Vorgehen ist die Funktion der verwendeten Komponenten sichergestellt und die Problemstellung ist auf den Kontaktbereich reduziert. Damit stehen früh im Verlauf des Transregios bereits Quellen und Senken zur Erprobung der polymerbasierten Strukturen der anderen Teilprojekte zur Verfügung. In einem zweiten Schritt sollen die Chips direkt mit der Folie verbunden werden. Hierzu werden die zuvor mit dem Si-Träger entwickelten und erprobten Verfahren verwendet und weiterentwickelt. Der Si-Träger dient als Umverdrahtungsvehikel zwischen dem Chip und der optischen Folie.

    Für die beiden Prozessvarianten liegt der Fokus in der Untersuchung von Methoden, um eine sichere und zuverlässige Anbindung von LED, Laser- oder Photodioden an eine optische Folie zu realisieren.

PROJEKTBEREICH B

  • B01 - Flexo- und Tintenstrahl-Drucken von Multimode-Wellenleitern

    Leitung: Prof. Overmeyer und Prof. Korvink

    Um Licht durch ein planares optronisches System zu führen, benötigt man Lichtwellenleiter. Während in anderen Fällen Glas als Material verwendet wird (daher die Bezeichnung Glasfaser), werden im Forschungsprojekt PlanOS speziell angepasste Polymermaterialien verwendet.

    Der gesamte Projektbereich B beschäftigt sich mit der Herstellung von Lichtwellenleitern verschiedener Größen. Teilprojekt B01 hat hierbei die Herstellung von vergleichsweise breiten Wellenleiterstrukturen (etwa 1 Haardurchmesser) zur Aufgabe. Lichtwellenleiter mit dieser Breite können viel Licht führen und bilden deshalb die Basis für das optronische System. Für die Herstellung kommen zwei Techniken zum Einsatz: Für großflächige Folien der Flexodruck, für kleinere Abschnitte der Tintenstrahldruck.

    Tintenstrahldruck

    Bei der Herstellung von Lichtwellenleitern ist es von zentraler Bedeutung, dass die Oberflächen der Strukturen von optischer Qualität, d.h. sehr glatt, sind. Zu große Rauigkeiten der Oberflächen führen dazu, dass der Lichtstrahl nicht sauber in dem Wellenleiter geführt, sondern in die Umgebung gestreut wird. Beim Tintenstrahldruck werden kleinste Mengen (wenige Picoliter) einer Flüssigkeit Tropfen für Tropfen auf eine Oberfläche aufgebracht. Nach dem Auftreffen haben die Tropfen Zeit, sich zu einer zusammenhängenden Struktur mit perfekt glatter Oberfläche zusammenfügen, wie sie auch ein Regentropfen zeigt. Deshalb ist diese Herstellungstechnologie sehr gut geeignet für die Herstellung von Lichtwellenleitern. Sobald das Material auf dem Substrat zur Ruhe kommt, kann die Tinte durch Wärme getrocknet werden, oder die Molekülstruktur des Materials wird durch UV-Strahlung so verändert, dass es härtet.

    Da die einzige Bedingung an die Herstellungstechnologie die passende Viskosität ist, können vielerlei Materialien per Tintenstrahldruck verarbeitet werden, sofern sie in flüssiger Form verfügbar sind. Außerdem sind nur geringe Mengen einer Tinte nötig, um den Druckprozess zu beginnen, das erleichtert die Arbeit im experimentellen Stadium, wo oft nur geringe Tintenmengen zur Verfügung stehen. Allerdings basiert die Technik auf dem Ausstoß vieler einzelner Tropfen nacheinander. Obwohl dies sehr schnell geschieht (mehrere tausend Tropfen pro Sekunde), ist die Herstellungstechnologie vergleichsweise langsam. Für die Herstellung großflächiger Strukturen ist deshalb eine andere Herstellungstechnik geeigneter.

    Flexodruck

    Um eine kostengünstige Produktion von planaren optronischen Systemen mit hohem Durchsatz zu ermöglichen, erfolgt die Anwendung des Flexodrucks. Die Idee ist, dass mittels Flexodruck ein Großteil der optischen Strukturen erzeugt wird, die anschließend mittels Tintenstrahldruck individuell ergänzt werden. Auf diese Weise nutzt man eine Kombination der Stärken beider Druckprozesse.

    Der Flexodruck ist ein Hochdruckverfahren, das üblicherweise für das Bedrucken von Verpackungen eingesetzt wird. Eine Druckplatte, die auf einem Zylinder aufgespannt ist, funktioniert dabei ähnlich wie ein Stempel. Die erhabenen Strukturen, die entsprechend des gewünschten Druckmotivs strukturiert wurden, werden zunächst mit Lack benetzt. Das anschließende Abrollen hinterlässt dann die gewünschte Beschichtung mit Lack auf dem Substrat. In letzter Zeit wurde die Möglichkeit untersucht, elektronische Schaltungen drucktechnisch herzustellen. In diesem Teilprojekt wird der Flexodruck nun verwendet, um zusätzlich die Realisierung optischer Funktionen zu erforschen.

    Der Flexodruck bietet die Vorteile, dass der Prozess einen sehr großen Durchsatz hat (bis zu 15.000 Bögen pro Stunde) und dadurch sehr niedrige Kosten pro Bogen realisiert werden können. Zudem stehen Flexodruck-Maschinen weltweit in großer Stückzahl zur Verfügung, so dass ein erprobter Produktionsprozess industriell realisierbar wäre.

    Nachteilig ist im Vergleich zum Tintenstrahldruck, dass für den Druckprozess strukturierte Druckplatten benötigt werden. Dadurch ist die Variabilität des Prozesses geringer, da für eine Änderung des Druckmotivs eine neue Druckplatte erstellt werden muss. Zudem steht bei derzeitigen Prozessen noch nicht die benötigte Auflösung zur Verfügung, um die geringen Strukturbreiten der Lichtwellenleiter zu realisieren.

    Die Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Realisierung von Lichtwellenleitern, die eine geringe Dämpfung haben und die Anforderungen der Partnerprojekte erfüllen. Hierzu erfolgt beispielsweise eine Auswahl und Anpassung von flüssigen Polymeren, die mit UV-Licht ausgehärtet werden. Ebenso wird erforscht, wie eine hohe Auflösung und die gewünschte Querschnittsform der Lichtwellenleiter erzeugt werden können.

  • B02 - Nanoimprint-Lithographie von Singlemode-Wellenleitern

    Leitung: Prof. Müller

    Das Ziel des Projekts ist die Fertigung quasimonolithischer, hochpräziser und passiver polymeroptischer Bauteile über große aktive Flächen (70 cm²).

    Der zentrale Fokus des Projektes  liegt neben der Integration der jeweils etablierten NIL- und HE-Technik dabei auf der Entwicklung von Fertigungsprozessen zur Kompensation von thermisch oder polymerisationsbedingten Schrumpf- und Schwindungseffekten, welche bisher die Realisierung von großflächigen kombinierten Strukturen in optischer Qualität behindern. Die großflächige Strukturierung von Polymeren mit Aspektverhältnissen von 10:1 und größer stellt somit eine besondere Herausforderung dar. Die optische Qualität der Strukturen muss dabei stets parallel kontrolliert und eingehalten werden.

    Im Rahmen des Teilprojektes erfolgt darüber hinaus die Entwicklung kombinierter Prozessfolgen zum Aufbau von geeigneten Masterstrukturen und NIL-Werkzeugen (siehe Abbildung) bestehend aus z.B. Ultra Precision Machining (UPM), Electrical Discharge Machining (EDM), Lithographie & Galvanik und dem Abgießen von Silikonen (z.B. Polydimethylsiloxan (PDMS)).

    Unterschiedliche Polymermaterialien sollen bezüglich ihrer Anwendbarkeit hinsichtlich HE und NIL untersucht werden. Spezieller Fokus liegt hierbei auf der Materialwahl, welche entsprechend große Prozessfenster zur monolithischen Strukturierung ermöglichen muss. Weiter sind die optischen Eigenschaften der Materialien ebenfalls als essentielle Aspekte bei der Materialwahl zu berücksichtigen.

    Typische Restschichtdicken von 1-20 µm, die aus den bereits erwähnten Fertigungstechnologien resultieren, spielen in optischen Einschichtsystemen in der Regel eine untergeordnete Rolle. Bei der Realisierung von mehrschichtigen optischen Systemen kann das Vorhandensein von Restschichten jedoch nicht mehr toleriert werden. Untersuchungen zur Stempelmodifikation sowie zur Vermeidung von Restschichten durch Opferschichttechniken sollen hierzu stattfinden.

    Solche mehrschichtigen optischen Systeme benötigen allerdings integrierte optische Durchführungen/-kontaktierungen, um unterschiedliche Schichten miteinander interagieren lassen zu können. Diese Durchkontaktierungen sollen durch die Implementierung eines Reaktionsgießprozesses in die Prägeanlage erreicht und näher untersucht werden.

    Durch die Erweiterung des entwickelten Prozess um die gezielte selektive Einbringung von Materialien mit spezifischen hohen oder niedrigen Brechungsindizes durch UV-Reaktionspolymerisation wird der geplante Prozess somit zu einem universellen Werkzeug für optische Bauteile mit Wellenleiterfunktion ausgebaut.

    Zum Ende des Teilprojektes soll ein integrierter Prozess zur Herstellung von Lichtleitern vorliegen, mit dessen Hilfe Singlemode-Wellenleiter auf zwei Ebenen mit restschichtfreier Aufbringung und optischen Durchkontaktierungen gefertigt werden sollen.

  • B03 - Polymerprozessierung mit fs-Laserstrahlung

    Leitung: Prof. Morgner und Dr. Reinhardt

    Mitte der neunziger Jahre wurde erstmals demonstriert, dass Materialien auf der Mikrometerskala mittels Femtosekundenlasern bearbeitet werden können. Seitdem hat diese Technologie enorme Fortschritte gemacht und heutzutage sind nanometergenaue Materialmodifikationen möglich. Ein besonders interessanter Aspekt ist die Brechungsindexmodifikation in transparenten Materialien: Wird der Brechungsindex im Vergleich zum umgebenden Material erhöht lassen sich so lokale Lichtwellenleiterstrukturen erzeugen. Das Schreiben von Wellenleitern in Gläsern wurde bereits intensiv erforscht, doch der Übertrag dieser Technologie auf Polymere gestaltet sich bisher schwierig, da die Polymermatrix nicht die gleiche Langzeitstabilität aufweist wie Glas, was zu einem ausbleichen der Wellenleiterstrukturen führt, bis an einen Punkt an dem diese nicht mehr funktionieren. Deswegen wird Glas als Werkstoff häufig bevorzugt. Allerdings bieten Polymere aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften Anwendungsmöglichkeiten, die mit Glas nicht zu realisieren sind. So ist zum Beispiel vorstellbar Wellenleiterstrukturen in eine Folie zu schreiben und dieses flexible Material anschließend auf eine beliebig geformte Oberfläche aufzubringen.

    Ein weiteres Verfahren zur Realisierung von Wellenleiterstrukturen in Polymeren bietet die Zwei-Photonen-Polymerisation oder kurz 2PP. Dieses Laserdirektschreibverfahren wurde bereits 1992 demonstriert und diente zunächst zur Herstellung verschiedener dreidimensionaler Mikrostrukturen. Bei der 2PP-Technologie wird der Strahl eines Kurzpulslasers in das Volumen eines Polymers fokussiert. Im Gegensatz zur vorher beschriebenen Materialmodifikation wird hier nun über eine Zweiphotonenanregung ein Polymerisationsprozess von Monomeren oder ein Quervernetzungsprozess von Polymeren für die Strukturerzeugung ausgenutzt. Mit der Weiterentwicklung geeigneter Material- und Lasersysteme wurde diese Methode seit 1997 für die Realisierung dreidimensionaler photonischer Kristallstrukturen eingesetzt. Der nichtlineare Charakter der 2PP erlaubt die Herstellung beliebiger, computergenerierter 2D- und 3D-Strukturen mit Auflösungen bis unter 100 nm. Trotz dieses viel versprechenden Potentials wurde diese Technologie zunächst kaum zur Herstellung optischer Wellenleiter verwendet, da keine Wellenleiterdimensionen im Submikrometerbereich gefordert waren.

    Erst 2006 wurden mit der 2PP-Technologie erstmals Polymerwellenleiter auf dünnen Metallfilmen hergestellt, die als Wellenleiter für Oberflächenplasmonen dienen. Hierbei kommt es sehr darauf an, die Wellenleiterdimensionen, also Durchmesser, Höhe und Form im Bereich unterhalb von 1 µm gut zu kontrollieren, da zu große Dimensionen recht schnell zur Ausbildung höherer Wellenleitermoden führen. Mit der 2PP-Technologie konnten bereits eine Reihe optischer Elemente, deren Strukturgrößen im Mikrometerbereich liegen, hergestellt werden.

    Bei den zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten von Wellenleiterstrukturen in Polymeren kann es sich, abhängig vom Polymermaterial, um ultraschnelle optische oder elektrooptische Schaltelemente, logische optische Elemente, kompakte Sensoren oder kompakte Polymerlaserverstärker handeln. Zur Realisierung solcher optisch aktiven Wellenleiterstrukturen ist neben der Entwicklung innovativer Polymere und Polymersysteme mit verbesserter Langzeitstabilität oder neuartigen optischen Eigenschaften insbesondere eine universelle Technologie für die flexible und kostengünstige Bearbeitung dieser Werkstoffe nötig. Das Erzeugen von Wellenleitern mittels Femtosekundenlaserstrahlung bietet dabei mehrere Vorteile gegenüber anderen Methoden. Zum einen ist sie nicht limitiert auf eine Ebene, mit Hilfe von computerkontrollierten Verschiebetischen ist eine Materialbearbeitung entlang nahezu beliebiger dreidimensionaler Pfade möglich, zum anderen ist diese Technologie unempfindlich gegenüber der Umgebung, da die Materialmodifikation direkt im Medium stattfindet. Es sind also keine Reinraumbedingungen notwendig.

    In diesem Teilprojekt wird an der Entwicklung und Bereitstellung von Fertigungstechnologien für die Herstellung von qualitativ hochwertigen 2D und 3D optischen Wellenleitern und Wellenleitersystemen in verschiedenen Polymerwerkstoffen gearbeitet. Die Basis für die vorgeschlagenen Technologien bilden die beiden oben beschriebenen, nichtlinearen laserlithographischen Strukturierungsmethoden mittels Femtosekundenlasern:

    • Das dreidimensionale Einschreiben von Wellenleitern in das Volumen von Polymeren durch Materialmodifikation, analog dem Wellenleiterschreiben in Gläsern.

    • Die dreidimensionale Strukturierung von Wellenleitern in Kunststoffen durch Zwei-Photonen-Polymerisation.

    Zusammen ermöglichen sie die Wellenleiterherstellung in verschiedenen Materialsystemen, die von einem Verfahren allein nicht abgedeckt werden können. Im Fokus der Untersuchungen stehen dreidimensionale Wellenleiter vom Typ I und Typ II, wobei die Wellenleitung entweder direkt im modifizierten Material (Typ I) oder zwischen mehreren modifizierten Materialregionen (Typ II) stattfindet. Zusätzlich soll das 2PP-Verfahren auch zur Herstellung von zweidimensionalen Wellenleiter- und Gitterstrukturen auf planaren, flexiblen Substraten eingesetzt werden. Um eine optimale Funktionalität der Komponenten zu erreichen, werden zusätzlich Computersimulationen durchgeführt, die es ermöglichen, geeignete Wellenleitergeometrien für verschiedene Materialsysteme herzustellen. Das 2PP-Verfahren kann ebenso für die Herstellung dreidimensionaler Wellenleiter eingesetzt werden.

    Nanoporöse Materialien, wie etwas Polydimethoxysiloxan (PDMS), können mit geeigneten Monomeren durchtränkt werden. Komplementär zur Brechungsindexmodifikation in Gläsern und Polymeren kann mit der 2PP-Technologie Laserstrahlung tief in das Volumen einer solchen nanoporösen Matrix fokussiert werden, wodurch die Monomere in drei Dimensionen polymerisiert werden können.

    Die mit den vorgestellten Methoden hergestellten Wellenleiter sollen anschließend optisch charakterisiert und im Verhalten auf verschiedene Einkopplungsmethoden untersucht werden. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern sollen Polymermikrostrukturen realisiert werden, die als Strahlteiler, Wavelength Division Multiplexer (WDM), Arrayed Waveguide Gratings (AWGs), Interferometer und planare Sensorprototypen eingesetzt werden können. Die hohe Präzision und Flexibilität der vorgeschlagenen Methoden erlauben einen hohen Integrationsgrad, wodurch langfristig das schnelle Realisieren neuartiger Prototypen optischer Schaltkreise auf kleinsten Flächen möglich wird.

  • B04 - Herstellung mikrooptischer Komponenten und Koppelstrukturen

    Leitung: Prof. Reithmeier und Dr. Rahlves

    Ziel dieses Teilprojekts ist der Entwurf von mikrooptischen Strukturen zur Kopplung und Leitung von Licht in und aus großflächigen Polymerfolien. Für die Realisierung von großflächigen Sensorfolien aus Polymeren ist das Zusammenspiel der einzelnen optischen Komponenten von entscheidender Bedeutung. Hierfür sind mikrooptische Strukturen in der Folie unabdingbar, die als Schnittstelle zwischen den einzelnen Komponenten des Sensors dienen und beispielsweise Licht von der Lichtquelle in Lichtwellenleiter koppeln und dieses wieder vom Lichtwellenleiter in die Sensoren leiten. Die Effektivität der Sensoren hängt dabei nicht zuletzt von der Kopplungseffizienz dieser mikrooptischen Strukturen ab.

    Im Rahmen dieses Teilprojekts sollen Koppelstrukturen und Lichtleiter entworfen und mit Hilfe von numerischen Simulationen hinsichtlich ihrer Kopplungseffizienz und optischen Abschwächung optimiert werden. Da die Funktionsweise und das Design eines Kopplers im Wesentlichen von dem physikalischen Prinzip und somit auch der Größe der mikrooptischen Strukturen abhängt, müssen eine Vielzahl von unterschiedlichen Kopplungskonzepten erforscht werden, die auf die in anderen Teilprojekten zu erforschenden Komponenten zugeschnitten sind. Für die Kopplung von externen Lichtquellen in Multimode-Fasern sollen beispielsweise Spiegelsysteme dienen, die sich einfach unter Ausnutzung der Totalreflektion in Polymeren erzeugen lassen. Zur Optimierung der Kopplungseffizienz können zusätzlich mikrooptische Strukturen auf der Oberfläche der Polymerfolie dienen, wie z .B. Fresnellinsen. Die optische Auslegung solcher Strukturen erfolgt durch strahlenoptische Simulationen. Für die Kopplung von Licht in Monomode-Fasern können beispielsweise Gitterkoppler dienen. Hierbei wird das Licht von bestimmten Beugungsordnungen in den Wellenleiter eingekoppelt. Das Gitter muss hierfür mittels einer rigorosen Simulation optimiert werden. Die wissenschaftliche Herausforderung bei dem Entwurf der Koppelstrukturen liegt in der Umsetzung geeigneter Kopplungsstrukturen, die vollständig polymerbasiert sowie großflächig und  kostengünstig ausgelegt sind.

    Für die technische Realisierung der mikrooptischen Koppler soll ein Heißprägeprozess verwendet und auf die großflächige Herstellung von mikrooptischen Strukturen angepasst werden. Ziel ist die Schaffung der technologischen Grundlagen, um mehrlagige, mikrooptische Komponenten in dünnen Polymerfolien mittels eines Heißprägeprozesses zu erzeugen. Im ersten Schritt sollen sowohl Multimode- als auch Singlemode-Wellenleiterbahnen schnell und kosteneffizient in einer Polymerfolie hergestellt werden. Zur Herstellung der Strukturen sollen verschiedene Thermoplaste verwendet werden, die sich sowohl in ihrer Glastemperatur als auch ihrer Brechzahl unterscheiden. Hierdurch wird einen serieller Heißprägeprozess ermöglicht, bei dem Kern und Mantel der Wellenleiter sukzessiv aufgebaut werden können, ohne UV aushärtende Materialien zu verwenden. Diese Vorgehensweise führt zu einer technologischen Vereinfachung gegenüber etablierten Prozessen. Im weiteren Projektenverlauf wird der Fokus auf komplexere polymeroptische Komponenten, wie Beugungsgitter und diffraktive Optiken verlagert. Die Prägestempel werden, je nach Struktur, durch Ultrapräzisionsbearbeitung am HOT oder durch halbleiterbasierte Verfahren an Partnerinstituten hergestellt.

  • B05 - Funktionalisierte Oberflächen und Multischichtsysteme

    Leitung: Prof. Ristau

    Das Ziel dieses Teilprojektes ist die Herstellung von flexiblen Schutzschichten. Diese Schutzschichten können sowohl auf einzelne Komponenten als auch auf die gesamte Folie aufgebracht werden. 

    Eine große Herausforderung besteht darin, Schichten aufzubringen, die sehr widerstandsfähig, aber gleichzeitig flexibel sind und auf den Polymeren haften. Oxidische Materialien bieten diese Schutzfunktion, sie sind allerdings meistens zu spröde und haften generell schlecht auf Polymeren. Eine mögliche Lösung stellen kontinuierliche Übergänge vom Polymer zum Oxid dar [siehe Abb. 1].

    Realisiert wird die Herstellung solcher Übergänge mit dem Ionenstrahlzerstäubungsverfahren (Ion Beam Sputtering: IBS). Die Ionenstrahlzerstäubung ist in der optischen Dünnschichttechnologie bei der Herstellung von komplexen oxidischen Schichtsystemen durch ihr bisher von anderen Verfahren unerreichtes Qualitätsniveau bekannt geworden. Das grundlegende Prinzip beruht auf der Abstäubung des Beschichtungsmaterials von einem Target durch einen Argon-Ionenstrahl und der anschließenden Deposition des freigesetzten Materials auf einen Träger (z.B. Glas oder Folie).

    Die geometrischen Freiheitsgrade des IBS-Verfahrens ermöglichen insbesondere den Einsatz von Zonentargets aus zwei angrenzenden Materialien, mit denen eine Kodeposition mit kontinuierlicher Variation der Schichtzusammensetzung durch einfache Positionierung im Ionenstrahl erreicht werden kann [siehe Abb. 2]. Während das Verfahren für oxidische Materialien bereits ausgiebig optimiert wurde, steht es für Polymere am Anfang seiner Entwicklung.

    Im Rahmen des Teilprojektes B05 wurde diese Problematik aufgegriffen und  das IBS-Verfahren für die Deposition verschiedener Polymere untersucht. So konnten beispielsweise mittels IBS von einem Polytetrafluorethylen (PTFE) Target transparente Schichten mit einem Brechungsindex von ca. 1,38 hergestellt werden. Im Gegensatz zum PTFE-Ausgangsmaterial, welches aufgrund der quasi-kristallinen Struktur eine annähernd 100 % Lichtstreuung aufweist, sind die gesputterten PTFE Schichten amorph und optisch verlustarm. Mit Blick auf ihren niedrigen Brechungsindex sind die Schichten auch für Beschichtungsanwendungen in der klassischen Optik interessant.

    Die gesputterten PTFE Schichten sind sehr weich und haben einen sehr geringen mechanischen Schichtstress. Dies geht naturgemäß einher mit einer niedrigen mechanische Stabilität und Kratzfestigkeit. Um die Schutzwirkung zu verbessern, wurde erstmalig PTFE mittels IBS in Kombination mit einem Zonentarget mit Tantalpentoxid gemischt. 

     Ausgehend von reinem Ta2O5 mit einem Brechungsindex von 2, lässt sich der Brechungsindex bei gleichbleibender optischer Qualität durch Beimischung von PTFE auf 1,8 senken. Gleichzeitig wird der Schichtstress um einen Faktor von 4 reduziert, wodurch die Mischschichten kompatibel zu Polymersubstraten werden [siehe Abb. 3]

  • B06 - Neuartige Reaktivlaminierprozesse

    Leitung: Prof. Rühe

    Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines kontinuierlichen Fertigungsprozesses zur Erzeugung mikrostrukturierter Mehrschichtsysteme für optisch passive und aktive Bauteile und Systeme in Kunststofffolien.

    Die wichtigste etablierte und allgemein eingesetzte Methode zur Erzeugung von Mehrschicht-Kunststofffolien ist das Verbinden von jeweils zwei Einzelfolien mithilfe von Laminierprozessen, die auf einer thermisch induzierten (partiellen) Interdiffusion von Polymerketten beruhen. Die bestehenden Laminierprozesse stoßen jedoch immer dann an ihre Grenzen, wenn eine Verbindung aus Polymermaterialien nötig wird, die nicht miteinander mischbar sind (inkompatible Polymere). Ein Beispiel dafür ist die Kombination von Polymethylmethacrylat (PMMA) und Cyclo-Olefin-Copolymeren (COC). Ein Anpassen der Zusammensetzung des Gesamtsystems an die Erfordernisse des Laminierprozesses ist jedoch oftmals nicht möglich ohne die optischen Eigenschaften des Systems zu kompromittieren.

    Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen Reaktivlaminierprozesses, der es erlaubt auch chemisch sehr unterschiedliche Materialien zu Multilayerfolien durch Laminieren zu verbinden. Dabei wird per Spraycoating eine dünne Kompatibilisierungsschicht aus photo- bzw. thermoreaktiven Polymeren auf eines von zwei inkompatiblen Polymersubstraten aufgetragen und diese anschließend laminiert. Die Verbindung der Materialien soll durch chemische Grenzflächenreaktionen erfolgen, die photochemisch oder thermisch induziert werden. Um dieses Ziel zu erreichen sollen neue Materialien entwickelt werden, die es erlauben über biradikaloide oder andere reaktive Zwischenstufen (Nitrene) die Verbindung zwischen den unterschiedlichen Materialien  durch Rekombinationsreaktionen bzw. Insertionsreaktionen zu erzielen. Während des Laminierprozesses sollen so unterschiedliche Folienlagen durch kovalente Bindungen miteinander verbunden werden. In analoger Weise könnten dann auch Schutzschichten bzw. Kompatibilisierungsschichten auf den Folienoberflächen generiert werden.

    Zur Einbringung spezifischer optischer Einzelfunktionen und -elemente (beam splitter, Gitter) werden auch die Schnittstellen des Laminierprozesses zu vor- bzw. nachgelagerten Prozessierungen mittels Vakuum-Thermoformung und Nanoimprint­technologien untersucht. Systematisch soll zunächst die Lösung für passive Bauelemente und danach die Lösung für aktive Bauelemente erarbeitet werden, um so zu einem integrierten Fertigungsprozess zu kommen.

    Erfolge konnten bereits erzielt werden, indem eine dünne Kompatibiliserungsschicht, bestehend aus photochemisch aktivierbarem Material, auf ein COC-Substrat aufgetragen und anschließend mit eigentlich inkompatibler PMMA-Folie überlaminiert wurde. Abb. 2 zeigt ein solches Laminat, bei dem die Folien im benetzten Bereich im Gegensatz zum unbenetzten Bereich verbunden sind. Zwischen benetztem und unbenetztem Bereich des Substrates ist deutlich eine weißliche Stelle zu erkennen, die auf Crazing durch starke Belastung eines Pull-Tests schließen lässt und somit die Festigkeit des Laminats verdeutlicht.

PROJEKTBEREICH C

  • C01 - Mikro- und nanooptische Sensorik

    Leitung: Prof. Zappe

    Das Gesamtziel des SFB „PlanOS“ ist die Realisierung einer Polymerfolie als vollintegrierte, verteilte Sensorfläche. Dabei kommt optischen Sensoren eine Schlüsselrolle zu: Sie übersetzen Messgrößen in optische Signale, welche durch das optische Netzwerk der Folie zu einer Auswerteeinheit übertragen werden. Im Fokus dieses Teilprojekts steht die Entwicklung und Herstellung polymerbasierter mikro- und nano-optischer Temperatursensoren.

    Messprinzip

    Das Licht wird in der Polymerfolie selbst durch integrierte Lichtwellenleiter geführt. Zur Temperaturmessung ist in diese Lichtwellenleiter ein entsprechend berechnetes optisches Gitter (das sogenannte Bragg-Gitter) eingebaut. Es hat die Eigenschaft alle Wellenlängen (Lichtfarben) durchzulassen bis auf eine, welche zurückreflektiert wird. Bei Erwärmung dehnen sich die Folie und das Gitter aus, wodurch die zurückreflektierte Wellenlänge geändert wird. Durch die Messung dieser Änderung lässt sich die momentane Temperatur bestimmen.

    Aufgaben und Herausforderungen

    Polymermaterialien sind besonders für die Herstellung der oben beschriebenen Sensoren geeignet. Durch ihre hohe Temperaturausdehnung kann eine hohe Empfindlichkeit und Auflösung der Sensoren erreicht werden. Allerdings stellen Polymermateriealien durch ihre Eigenschaften auch eine Reihe von Herausforderungen dar.

    Zum einen müssen die verwendeten Polymere eine hohe Homogenität zeigen und ihre Eigenschaften auch bei Verformung erhalten, um besonders verlustarme flexible Lichtwellenleiter zu erreichen. Zum anderen müssen sie die Abformung von Nanostrukturen erlauben, welche durch Massenfertigungsverfahren auf der Folie gedruckt werden können. Dazu werden im Laufe der Entwicklung spezielle Stempel für Nano-Aufdruck und Heißprägen hergestellt.

    Die Herstellungsverfahren werden in Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten auf die optimierten Materialien angepasst um eine hohe Qualität der Gitterstrukturen zu gewährleisten und somit die Genauigkeit und die Empfindlichkeit der Sensoren zu verbessern.

    Die Unterscheidung zwischen thermischer und mechanischer Änderung der optischen Gitter stellt eine weitere Herausforderung dar. Die beiden Einflüsse führen zu ähnlichen Variationen im Messsignal. Um zwischen den beiden Effekten unterscheiden zu können, müssen besondere Gittergeometrien entwickelt und Anordnungen aus mehreren Gittern eingesetzt werden.

    Zur Herstellung der erforderlichen Nanostrukturen werden im Laufe des Projekts komplexe Herstellungsmethoden entwickelt und mit Mikrostrukturierungsverfahren kombiniert. Ferner werden Schnittstellen zur Kombination der entwickelten Sensoren mit den Entwicklungen der Partnerteilprojekte erzeugt. Diese Schnittstellen werden am Ende der Entwicklungsphase den Aufbau eines Sensornetzwerks aus diversen Sensortypen ermöglichen.

  • C02 - Planar-integrierte Sensorarrays

    Leitung: Prof. Reithmeier und Prof. Roth

    Das Teilprojekt C02 zielt auf die Erforschung neuartiger Dehnungssensoren für planare, polymeroptische Systeme. Das Fernziel liegt in der Erarbeitung von Lösungen für die integrierte Dehnungsmessung (als Absolutwert oder sogar Richtung) in großflächigen Foliensystemen.

    In der ersten Förderperiode werden zwei verschiedene Sensorsysteme betrachtet: Ein Intensitätsbasiertes Design, das in der Lage ist, Verschiebung, Dezentrierung und Verkippung aus der gemessenen Kopplungsintensität zwischen einem Satz von Emitterwaveguides und den entsprechenden Detektorwaveguides zu ermitteln. Des Weiteren ein chromatischer Sensor der aus einer Verschiebung der gemessenen Wellenlänge den Wert der einachsige Dehnung der Messstelle ermitteln kann. Die Dimensionen der verwendeten Waveguides liegen aktuell bei einem Durchmesser von 265µm, im weiteren Verlauf werden kleinere Waveguides von 100µm und 50µm Durchmesser verwendet.

    Bei beiden Konzepten liegt zunächst der Nachweis der prinzipiellen Funktionsfähigkeit im Fokus, weiterführend die Untersuchung verschiedener Herstellungsprozesse (wie z.B. Heißprägen) mit dem Fokus auf spätere Massenproduktion (z.B. in Rolle-zu-Rolle Prozessen). Ebenfalls untersucht werden sollen Umwelteinflüsse, wie z.B. Temperaturwechsel, UV-Strahlung, Luftfeuchtigkeit, vor allem deren Einfluss auf das Sensorsignal und auf das Alterungsverhalten des Systems.

    Das Teilprojekt C02 kooperiert mit Teilprojekt B04 zur Herstellung angepasster Koppelstrukturen für die Ankopplung von Quellen und Senken an den Sensoren. Weiterhin wird mit den B-Teilprojekten und den C-Teilprojekten zusammengearbeitet, um maßgeschneiderte Waveguides oder andere Fertigungsprozesse nutzen zu können. Ebenfalls gibt eine Kooperation mit den Projekten A01 und S02, die maßgeschneiderte Polymere zuliefern.

  • C03 - Planaroptisches Polymer-Folienspektrometer

    Leitung: Prof. Schade

    Zentrale Komponente eines optischen Messsystems zur spektralen Filterung einzelner Wellenlängen ist ein Spektrometer. Konventionelle Gitterspektrometer lassen sich allerdings nicht ohne Weiteres als planaroptische Elemente in eine Polymerfolie integrieren, so dass stattdessen planaroptische passive Filterelemente, idealerweise mit einer größeren Zahl von Kanälen Verwendung finden. Ein derartiges Filterelement ist aus dem Telekombereich bekannt: sogenannte „Arrayed Waveguide Gratings“ (AWG) werden dort standardmäßig als Demultiplexer oder Multiplexer eingesetzt. Der Ansatz eignet sich grundsätzlich auch hervorragend zur Realisierung eines planaroptischen Mikrospektrometers in einer Polymerfolie.

    In Abbildung 1 ist eine Prinzipskizze eines AWGs gezeigt. Für eine Anwendung als dispersives Element (Spektrometer) wird Licht aus dem Eingangswellenleiter in die erste freie Propagationszone (FPZ) eingekoppelt. Sie wirkt aufgrund ihrer Formgebung als dispersives Element, so dass die Wellenfront gekrümmt wird. Nach Propagation durch die FPZ wird das Licht in das eigentliche Array aus n Wellenleitern eingekoppelt (in Abb. 1 sind beispielhaft 6 Wellenleiter gezeichnet). Die Wellenleiter besitzen unterschiedliche optische Weglängen, benachbarte Wellenleiter unterscheiden sich jeweils um ein festes Inkrement ΔL. Das AWG wird nun so konzipiert, dass für eine Zentralwellenlänge λ0 die optische Weglänge genau einem Vielfachen m der Wellenlänge entspricht (ΔL=mλ0). Damit wird an der Austrittsseite in der freien Propagationszone wieder die ursprüngliche Wellenfront rekonstruiert und das Licht in das Zentrum der Austrittsebene fokussiert. Wird eine andere Wellenlänge als die Zentralwellenlänge λ0 eingestrahlt, wird diese auf einen anderen Punkt der Austrittsebene fokussiert, so dass eine räumliche Trennung einzelner Wellenlängen eintritt. Werden nun Wellenleiter an unterschiedlichen Positionen auf dem Rowlandkreis positioniert, kann das AWG wellenlängenselektiv über Photodioden ausgelesen werden. Alternativ kann man die dispersiven Eigenschaften eines AWGs beschreiben, indem die Interferenz der zwischen den einzelnen, unterschiedlich langen Wellenleitern transmittierten Lichtanteile berücksichtigt wird. Über konstruktive und destruktive Interferenz werden für die jeweiligen Wellenlängen Positionen definiert, an denen Austrittswellenleiter positioniert werden. Da konstruktive Interferenz an bestimmten Punkten für eine Vielzahl von Wellenlängen auftreten kann, wird über diese Betrachtung der freie Spektralbereich (ΔλFSR) des AWGs als Wellenlängen- bzw. Frequenzabstand zwischen den Maxima des Interferenzmusters definiert: ΔλFSR=NΔλ≈λ0/m. Hierbei ist N die Anzahl der Wellenlängenkanäle und Δλ die Wellenlängenauflösung.

    Da die Transmissionseigenschaften des AWGs von den Weglängenunterschieden der einzelnen Wellenleiter bestimmt wird, muss eine Beeinflussung der optischen Weglänge der einzelnen Wellenleiter durch äußere Einflüsse wie Temperatur und mechanischer Beanspruchung vermieden werden. Innerhalb des Teilprojekts wird untersucht, inwieweit eine mechanische Stabilisierung mithilfe der Implementierung von ZnO-Nanodrähten oder Nanopartikeln möglich ist, und ob durch geeignetes Design und Materialanpassung ein athermisches Verhalten erreicht werden kann.

    Wesentliche Arbeitspakete innerhalb des Teilprojektes sind die Simulation, das Design und die Optimierung der Filterelemente. Abbildung 2 zeigt ein einfaches System zur Auftrennung des Eingangslichts in zwei Kanäle und das Ergebnis der zugehörigen Simulation. Nach Vorgabe der Anwendungsprojekte können AWGs maßgeschneidert werden, die hinsichtlich der Kanalanzahl und demzufolge der Auflösung und des abgedeckten Spektralbereichs optimiert sind.

    Zur systematischen Untersuchung der Materialeigenschaften modifizierter Polymerfolien werden Nanostrukturen mittels nasschemischer Verfahren hergestellt. Hierbei wurde der Prozess hinsichtlich der Herstellung langer dünner Drähte und einer hohen Ausbeute an Nanodrähten optimiert. Abbildung 3 zeigt beispielhaft eine REM-Aufnahme hergestellter Nanodrähte. Die Einlagerung in das Polymer erfolgt während der Polymerisation. Die modifizierten Polymere werden hinsichtlich ihres thermischen Ausdehnungsverhaltens und der Brechungsindexdispersion charakterisiert. Weiterhin wird die Homogenität der Einlagerung untersucht. Clusterbildung und Absinken wird mit einer Funktionalisierung der Drähte mit in Zusammenarbeit mit Projekt B06 begegnet. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Nanostrukturen; die erzielten Ergebnisse werden verglichen, so dass das einfachste Verfahren zur mechanischen Stabilisierung bzw. zur Gewährleistung athermischen Betriebs des AWGs identifiziert werden kann. 

  • C04 - Resonate und Interferometrische Optische Sensoren

    Leitung: Prof. Zappe und Dr. Willer

    Die Messung gasförmiger Stoffe mit optischen Methoden ist ein etabliertes Verfahren z.B. für Anwendungen in der (Arbeits-)Sicherheit, dem Umweltmonitoring und der Raumklima­regelung. Allerdings werden diese Messungen nur punktuell durchgeführt, so dass keine Aussagen über die räumliche Verteilung der zu messenden Gase und Konzentrations­verteilungen gemacht werden können. Besonderes Interesse besteht für viele Anwendungen aber gerade an einer räumlich aufgelösten Messung. Erste Ansätze gibt es im Bereich faseroptischer Netzwerke. Die in diesem Projekt angestrebte Funktionalisierung einer Polymerfolie bietet aber weit mehr Möglichkeiten als einfaches Multiplexen mit Fasersensoren, da eine echt zweidimensionale Struktur zur Verfügung steht, in der an strategisch ausgezeichneten Orten entsprechende Sensoren eingebracht werden.

    Interferometrische und resonante integriert-optische Strukturen können vorteilhaft zur Übersetzung chemischer oder biologischer Größen in optische Signale verwendet werden. In der unmittelbaren Umgebung eines Wellenleiters kommt es zur evaneszenten Wechsel­wirkung zwischen den zu detektierenden Stoffen und der im Wellenleiter geführten elektro-magnetischen Strahlung. Die daraus resultierende Phasen- oder Resonanzverschiebung kann als empfindliche Messgröße zur Bestimmung der Konzentration von kleinsten Mengen eines Analyts eingesetzt werden.

    In der Folie werden Ringresonatoren und Mach-Zehnder Interferometer integriert-optisch durch single-mode-Wellenleiter realisiert, deren Kern in gezielten Bereichen der Wechselwirkung mit der Umwelt ausgesetzt ist. Durch Sensibilisierung dieser freien Oberflächen mit Rezeptoren oder funktionellen Strukturen werden gezielt und selektiv die gewünschten chemischen Stoffe adsorbiert, die dann mit dem evaneszenten Anteil des optischen Feldes wechselwirken und seine Eigenschaften beeinflussen: Eine durch die Adsorption herbeigeführte Änderung des effektiven Brechungsindex des Wellenleiters führt beispielsweise zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz bzw. einer Änderung des Interferenzsignals, so dass ein konzentrationsabhängiges Messsignal generiert wird.

    Für beide Sensortypen ist die Nutzung von single-mode Wellenleitern unerlässlich. Daher konzentrierten sich die ersten Arbeitspakete auf  die Simulation und das Design von geeigneten Wellenleiterstrukturen in Polymermaterialien. Hierbei wurden inververtiere Rippenwellenleiter und Streifenwellenleiter untersucht. In den Abbildungen 1 und 2 sind der geometrische Aufbau bzw.Simulationsergebnisse der transmittierten Leistung für beide Sensoren gezeigt. In Kooperation mit den Teilprojekten B01, B02 und S01 konnten bereits erste invertierte Rippen- und Streifenwellenleiter hergestellt werden (vgl. Abb. 3), die aktuell charakterisiert werden, um Struktur und Design weiter zu optimieren und die Empfindlichkeit der Sensoren zu steigern. Für beide Ansätze gleichermaßen essentiell ist die Funktionalisierung der Oberfläche, um eine sensitive und vor allem selektive Wechselwirkung zu erzielen. Derzeit werden Thiophenoligomere synthetisiert, die bereits an der TU Braunschweig in „elektronischen Nasen“ eingesetzt wurden, um zu überprüfen, ob sie bei Wechselwirkung mit der Zielspezies eine hinreichende Änderung des effektiven Brechungsindex bewirken. Es erfolgen systematische Untersuchungen der Eignung von Strukturierungen und Beschichtungen mit speziellen Rezeptoren  und bestehende Beschichtungsverfahren werden an die verwendeten Polymere adaptiert.

    In einer späteren Förderperiode werden Arrays von Sensoren erstellt, die dann eine gleichzeitige Messung von mehreren Spezies und ein sicheres Ausschließen von Querempfindlichkeiten ermöglichen.

  • C05 - Flüstergalerie-Resonatoren zur molekularen Analytik

    Leitung: Prof. Morgner und Dr. Wollweber

    Die Analytik in den Lebenswissenschaften macht sich in erheblichem Maße optische Verfahren zunutze. Der Einsatzbereich optischer Sensorik könnte noch erheblich erweitert und vor allem flexibilisiert werden, wenn eine Sensorfolie mit integrierter Analytik zur Verfügung stünde. So müssen bisher zu analysierende Proben in speziell auf das jeweilige Analyseverfahren angepassten Probeaufnahmen hergestellt oder darin umgefüllt werden. Mit einer flexiblen Sensorfolie können hingegen die Auslesesysteme an die Probenbehälter angepasst werden. Damit erschließen sich neue Anwendungsgebiete für etablierte Analyseverfahren. Probenbehälter (Lab-on-a-chip, Kapillarsysteme, aber auch größere Reservoirs) und Sensorik können durch den integrativen Ansatz besser aufeinander angepasst und abgestimmt werden. Gelingt langfristig eine vollständige Integration inklusive optischer Anregungsquelle und Detektionseinheit, bilden die zu entwickelnden Konzepte sogar eine Basis für kostengünstige Alternativen zu Standardgeräten (z. B. Mikrotiterplatten mit integriertem Readout). Einsatzmöglichkeiten für die Folien reichen von einer ständigen Überwachung von Zellkulturen im Brutschrank, wo Gewebekulturflaschen, Petrischalen und Multiwellplates direkt mit Sensorfolien ausgestattet werden können über high-content Screening kleinster Blutmengen bis zur Prozessüberwachung in der Lebensmittelindustrie.

    Ziel des Teilprojektes ist es also, ausgewählte optische Standardanalytik aus den Lebenswissenschaften auf planare Polymerstrukturen zu transferieren, um daraus langfristig neue oder erweiterte Einsatzmöglichkeiten zu eröffnen, kostengünstige und benutzerfreundliche integrierte Systeme zu entwickeln und die Grundlage für die Entwicklung neuer Messsysteme zu legen.

    Im Rahmen dieses Teilprojekts sollen daher für den Bereich der Lebenswissenschaften polymerbasierte Sensoren entwickelt werden, die optische bzw. spektroskopische Analytik direkt in fluidischen Systemen ermöglichen. Ziel im ersten Förderabschnitt ist die Entwicklung eines Sensors, mit dem geringste Analytkonzentrationen (Fernziel Einzelmolekülsensitivität) nachgewiesen werden können. Funktionsprinzip des Sensors sind Flüstergalerie- bzw. whispering-gallery-Resonanzen in Mikrokugeln. Resonanzfrequenzen und Güte der Mikrokugelresonatoren reagieren hochsensitiv auf im evaneszenten Feld der Kugel befindliche Moleküle. Die Umsetzung des Sensorkonzepts erfolgt in Teilschritten, wobei jeder Teilschritt so gestaltet ist, dass er bereits die Grundlage für einfachere polymerbasierte optische Sensoren bildet: eine planare Probenaufnahme für spektralphotometrische Messungen und einen Refraktionsindexsensor. In flächigen optischen Netzwerken angeordnet soll am Ende Ortsauflösung und high-content screening demonstriert werden.

    Zur Herstellung der Strukturen werden Technologien aus verschiedenen anderen Teilprojekten eingesetzt – schwerpunktmäßig Heißprägen für Probenkavitäten und oberflächliche Multimode-Wellenleiter sowie direktes Schreiben von Wellenleitern ins Medium mit Hilfe von fs-Laserpulsen. Die Entwicklung brechzahlangepasster Polymere wird der Sensorentwicklung ebenfalls schon in der ersten Förderperiode zugutekommen. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Entwicklung, Simulation und Umsetzung der Sensorkonzepte im Polymer. Für vergleichende Untersuchungen bzw. bis die notwendigen Herstellungstechnologien für Polymere zuverlässig zur Verfügung stehen, wird auf Glassubstrate zurückgegriffen. Externe Lichtquellen und Detektoren sollen entsprechend der Entwicklung in den Partnerprojekten sukzessive integriert werden.

PROJEKTBEREICH S

  • S01 - Polymersynthesen

    Leitung: Prof. Rühe

    Das Ziel des beantragten Serviceprojekts ist die Bereitstellung und Anpassung der im Transregio-Verbund entwickelten Materialien für die Herstellung großflächiger optischer Folien. Für das Funktionieren des TRR ist es wichtig, dass alle Forschungsprojekte Polymer-Materialien in ausreichenden Mengen zeitnah und mit ggf. angepasstem Eigenschaftsprofil bereit haben. Auf der anderen Seite werden für die verschiedenen Anwendungen spezifisch angepasste Polymere benötigt, die nicht kommerziell verfügbar sind. Die Herstellung dieser Polymeren erfordert eine besondere Expertise und Aufwand, die innerhalb der Forschungsprojektes nicht zu leisten ist und diese stark behindern würde. Deshalb werden in Anstrengungen in einer Servicegruppe gepoolt.

    Dabei sollen aus den benötigten Polymeren bzw. Composites Materialmengen in einem Umfang hergestellt werden, wie es für die Strukturierungs- und Verarbeitungstests notwendig ist. In einem Fall werden die Materialien und ihre Komponenten in den Forschungsprojekten des TRR entwickelt und dann die Syntheseaufgaben für das Upscaling an die Servicegruppe übertragen. Zum anderen werden in der Servicegruppe Materialien hergestellt, die in der Literatur eingehend beschrieben, jedoch nicht kommerziell erhältlich sind. Ziel des Serviceprojekts ist ein moderates Upscaling der Synthese und Compoundierungsmethoden aus den in der Forschung typischen Mengen hin zu Mengen wie sie für forschungstypische Folienherstellung erforderlich sind. Ein weiterer Schwerpunkt ist dabei auch die Charakterisierung der erhaltenen Materialien und die Kontrolle der Einhaltung dieser Qualitätsstandards. Jedes Material, das aus einem der Grundlagenprojekte in das Serviceprojekt übertragen wird, wird zunächst in seinen Eigenschaften beschrieben und über diese Beschreibung festgelegt.

    Im Verlauf der Zeit soll durch die Arbeit der Servicegruppe eine Materialbank entstehen, aus der die Projektbeteiligten Polymere für die verschiedenen Verarbeitungs- und Strukturierungsstrategien beziehen können.

  • S02 - Brechzahlangepasste Hybridpolymere

    Leitung: Prof. Hanemann

    Im Förderzeitraum von 4 Jahren sollen sich die Arbeiten auf drei Themenbereiche konzentrieren:

    a) Brechzahlanpassung: Der Brechungsindex von ausgewählten Polymeren soll im Wellenlängenbereich von 400-1100 nm signifikant erhöht werden. Die Entwicklungsarbeiten konzentrieren sich auf methacrylat- bzw. epoxidbasierten Reaktionsharzsystemen, welche nach der Aushärtung Polymethacrylate bzw. Epoxide ergeben. Die Anhebung des Brechungsindexes soll durch das Lösen von elektronenreichen, aromatischen und im Sichtbaren transparenten, nicht färbenden Verbindungen (z.B. Phenanthren) bis zum Löslichkeitslimit erfolgen. Im Fall der Methacrylate soll die Möglichkeit untersucht werden, die Brechzahlerhöhung zusätzlich durch eine Copolymerisation mit einem in der Seitenkette substituierten Methacrylatmonomer (z.B. Benzylmethacrylat) zu steigern. Dieses Monomer trägt in der Seitengruppe bereits eine elektronenreiche aromatische Phenylgruppe und sollte merklich zur Brechzahlerhöhung beitragen. Es wird eine Anhebung des Brechungsindexes von 1.49 (reines Polymethylmethacrylat) auf 1.59 bzw. von 1.55 (Epoxid) auf 1.65 angestrebt (alle Werte für 589 nm).

    b) Anpassung der thermomechanischen Eigenschaften: Der bei der Zugabe von kleinen Molekülen zu einer polymeren Matrix entstehende Weichmachereffekt soll, in Analogie zum bisher untersuchten Modellsystem, durch die Zugabe von geeigneten mehrfunktionellen Comonomeren, z.B. im Fall der Methacrylate durch Ethylendiacrylat, 1,4-Butandiol-diacrylat, Neopentyl-glycol-diacrylate oder Pentaerythritol-tetraacrylat, kompensiert werden. Je nach Monomeranteil entsteht während der Polymerisation ein vernetzter Thermoplast oder Duroplast. Geeignete hochtransparente Epoxide polymerisieren i.Allg. zu Duroplasten, dennoch lässt sich eine Erhöhung der Glastemperatur und somit der Dauergebrauchstemperatur ebenso durch mehrfunktionelle Monomere zur Kompensation des durch den Dotierstoff verursachten Weichmachereffekts erzielen. Die Vernetzung soll eine Immobilisierung der Polymerkettenbeweglichkeit und somit eine Anhebung der Glasübergangstemperatur bewirken. Im Idealfall soll der Weichmachereffekt mindestens kompensiert, besser aber sogar überkompensiert werden, so dass eine möglichst hohe Dauergebrauchstemperatur für die Wellenleiter erreicht werden kann. Die Formgebung in den abformenden Teilprojekten erfolgt vor bzw. zeitgleich mit der Polymerisation (Thermoplastische bzw. Reaktivformgebung). Die für die Formgebung wichtige Reaktionsharzviskosität lässt sich durch Zugabe von Additiven bzw. Monomerwahl individuell auf die Formgebungsmethode anpassen. Die Reaktionsharzviskositätswerte werden sich, je nach Materialzusammensetzung, zwischen 0.05 und 10 Pa s (Raumtemperatur) bewegen, so dass viskositätsangepasste, brechungsindexmodifizierte Reaktionsharze sowohl für den Tintenstrahldruck als auch für den Offset-Druck entwickelt und zur Verfügung gestellt werden können.

    In den beiden ersten Meilensteinen sollen diese neuen Polymersysteme sowohl unpolymerisiert und rheologisch angepasst (Methacryalate, Epoxide) an die druckenden bzw. reaktionsgießenden Teilprojekte als auch polymerisiert (modifizierte Methacrylate) an die heißprägenden Teilprojekte abgegeben werden. Für die Anpassung und weitere iterierende Optimierung der Materialeigenschaften ist eine sehr enge Kooperation mit den abformenden und charakterisierenden Teilprojekten zwingend notwendig. Im weiteren Projektfortschritt ist eine weitere Brechzahlerhöhung sowie Stabilisierung bzw. Erhöhung der Dauergebrauchstemperatur zur Steigerung der Material- und Eigenschaftsbandbreite vorgesehen.

    c) Entwicklung von lumineszierenden Hybridpolymeren: In der zweiten Hälfte der Projektlaufzeit sollen neuartige, im Sichtbaren lumineszierende Hybridpolymere entwickelt werden. Organische Seltenerd-Komplexverbindungen, z.B. Europium-basiert, emittieren nach einer optischen Anregung im Sichtbaren. Im Rahmen des Projektes sollen aktive, d.h. emittierende, brechzahlangepasste Hybridpolymere, welche diese Komplexverbindungen enthalten, im Hinblick auf eine Anwendung als aktive Wellenleiterkomponenten entwickelt werden. In einem zweiten Schritt sollen die Materialeigenschaften in enger Kooperation mit den abformenden Teilprojekten dergestalt angepasst werden, so dass eine Wellenleiterherstellung über die im Transregio vorhandenen Technologien möglich wird.

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Ehemaliger Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer
Adresse
An der Universität 2
30823 Garbsen
Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer
Adresse
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Ehemaliger Geschäftsführer

Dr. Sebastian Dikty
Adresse
Welfengarten 1A
30167 Hannover
Gebäude
Raum
118
Dr. Sebastian Dikty
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