In einer aktuellen Publikation des Fachjournals „Advanced Materials“ stellt ein Team aus Physikern und Chemikern der TU Dresden einen organsichen Dünnschichtsensor vor, der eine ganz neue Art der Wellenlängenidentifikation von Licht beschreibt und eine spektrale Auflösung unterhalb eines Nanometers erreicht. Als integrierte Bauteile könnten die Dünnschichtsensoren in Zukunft den Einsatz von externen Spektrometern überflüssig machen. Die neuartige Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet.

Spektroskopie umfasst eine Gruppe von experimentellen Verfahren, die Strahlung nach einer bestimmten Eigenschaft, z.B. Wellenlänge oder Masse, zu zerlegen. Sie gilt als eine der wichtigsten Analysemethoden in Forschung und Industrie. Spektrometer können Farben (Wellenlängen) von Lichtquellen bestimmen und werden als Sensoren in verschiedenen Anwendungsgebieten wie Medizin, Technik, Lebensmittelindustrie und vielem mehr eingesetzt. Marktübliche Geräte sind in der Regel relativ groß und sehr teuer. Sie basieren zumeist auf dem Prinzip des Prismas oder Gitters: Licht wird gebrochen und die Wellenlänge entsprechend des Brechungswinkels zugeordnet.

Am Institut für Angewandte Physik (IAP) und dem Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) der TU Dresden werden seit Jahren solche Sensorikkomponenten auf Basis von organischen Halbleitern erforscht. Mit den Ausgründungen Senorics und PRUUVE wurden bereits zwei Technologien in Richtung Marktreife entwickelt. Nun haben Forschende des IAP in Kooperation mit dem Institut für Physikalische Chemie einen Dünnschichtsensor entwickelt, der eine ganz neue Art der Wellenlängenidentifikation von Licht beschreibt und dabei aufgrund seiner geringen Größe und Kosten klare Vorteile gegenüber den handelsüblichen Spektrometern aufweist.

© Anton Kirch

Die Funktionsweise der neuartigen Sensoren gestaltet sich folgendermaßen: Licht unbekannter Wellenlänge regt leuchtende (lumineszente) Stoffe in einem haardünnen Film an. Der Film besteht aus einer Mischung von lang nachleuchtenden (phosphoreszierenden) und nur sehr kurz nachleuchtenden (fluoreszenten) Stoffen, die das zu untersuchende Licht unterschiedlich absorbieren. Über die Intensität des Nachleuchtens, kann auf die Wellenlänge des unbekannten Eingangslichts geschlossen werden.

„Wir nutzen die fundamentale Physik angeregter Zustände in lumineszenten Schichten aus“, erklärt Anton Kirch, Doktorand am IAP. „Licht unterschiedlicher Wellenlänge generiert in einem solchen System, wenn es richtig zusammengesetzt ist, bestimmte Anteile von langlebigen Triplett- und kurzlebigen Singulett-Spinzuständen. Und wir drehen diese Abhängigkeit um. Durch eine Identifikation der Spinanteile mitteils eines Photodetektors, können wir Lichtwellenlängen identifizieren.“

 „Die große Stärke unseres Forschungsverbundes hier in Dresden sind unsere Partner”, sagt Prof. Sebastian Reineke, der das Projekt koordinierte.  „Zusammen mit den Gruppen von Prof. Alexander Eychmüller aus der Physikalischen Chemie und Karl Leo, Professor für Optoelektronik, können wir alle Herstellungs- und Analyseschritte selbst durchführen, angefangen von der Materialsynthese, über die Filmprozessierung bis hin zur Herstellung des organischen Detektors.”

Dr. Johannes Benduhn ist Gruppenleiter für Organische Sensoren und Solarzellen am IAP: „Ich war ehrlich gesagt sehr beeindruckt, dass ein einfacher photoaktiver Film kombiniert mit einem Photodetektor so ein hochauflösendes Bauteil bilden kann.“ Mit dieser Strategie haben die Wissenschaftler eine spektrale Auflösung unterhalb eines Nanometers erreicht und konnten erfolgreich kleinste Wellenlängenänderungen von Lichtquellen nachvollziehen. Neben der Charakterisierung von Lichtquellen, können die neuartigen Sensoren auch in der Fälschungssicherheit eingesetzt werden: „Mit den kleinen und kostengünstigen Sensoren könnten zum Beispiel Geldscheine oder Dokumente schnell und sicher auf bestimmte Sicherheitsmerkmale geprüft und somit deren Echtheit bestimmt werden, ganz ohne aufwändige Labortechnik“, erläutert Anton Kirch.

Originalpublikation:
Anton Kirch, Toni Bärschneider, Tim Achenbach, Felix Fries, Max Gmelch, Robert Werberger, Chris Guhrenz, Aušra Tomkevičienė, Johannes Benduhn, Alexander Eychmüller, Karl Leo, and Sebastian Reineke,
“Accurate Wavelength Tracking by Exciton Spin Mixing”, Advanced Materials (2022)
DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202205015

Finanzierung
Dieses Projekt wurde mehrheitlich durch den European Research Council mittels des Programms European Union's Horizon 2020 (Grant Agreement No. 679213; Projektabkürzung BILUM) finanziert. Anton Kirch erhielt ein Promotionsstipendium des Cusanuswerks und eine Finanzierung der DFG (Projekt HEFOS, Nr. FI 2449/1-1). J.B. wurde über das DFG Project VA 1035/5-1 (Photogen) und die Sächsische Aufbaubank (Projekt Nr. 100325708 (InfraKart) finanziert. Das öffentliche Zugangsrecht der Originalpublikation ist durch das Projekt DEAL finanziert.

Kontakt:
Anton Kirch
Institut für Angewandte Physik

Prof. Sebastian Reineke
Institut für Angewandte Physik
Tel.: +49 351 463-38686