LElBNlZ-lNSTlTUT für PHOTONlSCHE TECHNOLOGlEN // JAHRESBERICHT 2016

Liebe Leserinnen, liebe Leser,

»die vorliegende Ausgabe der

„reflexion“ ist mittlerweile der 25.

Jahresbericht, den unser Institut

veröffentlicht. Seit seiner Gründung,

am 1. Januar 1992 hat sich nicht allei-

ne das Erscheinungsbild der Jahres-

berichte geändert. Das Institut hat in

den vergangenen 25 Jahren eine be-

eindruckende Entwicklung vollzogen.

Als Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft

ist das Leibniz-IPHT fest in der natio-

nalen Forschungslandschaft verankert

und global vernetzt.

Das aktuelle Heft widmet sich dem

Schwerpunktthema „Mikro- und Nano-

technologien“. Die wissenschaftlichen

Ergebnisse und die vorhandenen Kom-

petenzen in diesem Bereich sind zent-

rale Komponenten bei der Erforschung

von photonische Lösungen für Frage-

stellungen aus den Bereichen Medizin,

Gesundheit, Umwelt und Sicherheit

und prägen somit das wissenschaftli-

che Profil des Institutes.

Wie gewohnt berichten unsere

Wissenschaftlerinnen und Wissen-

schaftler in Form von Fachbeiträgen

über aktuelle Forschungsergebnisse.

Die Artikel finden Sie gemeinsam mit

den Inhalten des vorliegenden Heftes

und einem umfangreichen Datenanhang

sowie ergänzendem Material in unserer

App für Android-Tablets und iPads.

Wir möchten uns an dieser Stelle

ganz herzlich bei unseren Mitarbei-

terinnen und Mitarbeitern für deren

tagtägliche Arbeit und das hohe Enga-

gement bedanken. Ebenso gilt unser

Dank dem Freistaat Thüringen und

dem Bund sowie allen Förderern und

Partnern aus Politik, Wissenschaft

und Industrie für die langjährige enge

und vertrauensvolle Kooperation. Wir

freuen uns auf eine weitere erfolg-

reiche Zusammenarbeit.

Viel Freude beim Lesen wünschen

Ihnen

Jürgen Popp

Wissenschaftlicher Direktor

Frank Sondermann

Kaufmännischer Direktor

Prof. Dr. Jürgen Popp // Wissenschaftlicher Direktor

Frank Sondermann // Kaufmännischer Direktor

3------

Forschung, Entwicklung und ausgewählte Veranstaltungen am Leibniz-IPHT werden unterstützt von:

10

Mikro- und Nanotechnologien des Reinraums

Mit Lithographie, Beschichtungs- und

Ätztechniken vom Wafer zum Funkti-

onsstruktur. Ein Überblick der mikro-

und nanotechnologischen Prozesse im

Reinraum des Leibniz-IPHT.

9

Forschergruppe Nanooptik – Gezielte Wechselwirkung von Molekülen mit Licht

Dr. Jer-Shing Huang stellt seine neue

Forschergruppe am Leibniz-IPHT vor.

8

25 Jahre IPHT

Eindrücke vom festlichen Auftakt zum

25. Institutsjubiläum im Volksbad Jena.

6

Jahresrückblick 2016

Ein Überblick über die Ereignisse des

vergangenen Jahres.

18

Nanolithographie auf Wafer-level – Die Elektronenstrahl-Charakterprojektion

Neue Methoden zur Herstellung

plasmonischer Nanostrukturen auf

Waferlevel für die ultrasensitive Mole-

külspektroskopie.

22

Atomlagenabscheidung –Schicht für Schicht zur Funktion

Mit Atomlagenabscheidung lassen

sich am Leibniz-IPHT innovative

optische Materialien, komplexe Mate-

rialsysteme und funktionelle Beschich-

tungen nanometergenau Schicht für

Schicht aufbauen.

20

Thermosensoren – Aufbruch in neue Welten

Tradition mit Zukunft – Neue

Einsatzgebiete für Thermosensoren.

24

Supraleitende Nanoschalt-kreise als künstliche Atome

Grundlagenforschung an künstlichen

Atomen. Wie ihre natürlichen Vor-

bilder absorbieren die mikroskopisch

kleinen supraleitenden Schaltkreise

unter bestimmten Bedingungen Licht.

26

Top-down oder bottom-up –Mit Nanotechnologie zu aussichts reichen Silizium-nanostrukturen

Die außergewöhnlichen Eigenschaften

von Silizium-Nanostrukturen werden

am Leibniz-IPHT zum Beispiel zur

Erforschung neuer Strahlungssensoren

und Krebstheranostika genutzt.

30

Mikrostrukturierteoptische Fasern

Perfektion bis ins Detail – die

Her stellung optischer Fasern mit

mikrometerkleinen Innenstrukturen.

34

Nanoplasmonik – Metall-nanopartikel in allen Formen und Farben

Nanoplasmonische Nanopartikel aus

Metallen sind hochsensitive Sonden

für die moderne vor-Ort-Bioanalytik.

Hergestellt werden sie mit exakt

gesteuerten nanotechnologischen

Verfahren.

38

Lichtmikroskopie – Mit Lichtblättern und Katzen-augen zu hochaufgelösten Multispek tralbildern

Eine am Leibniz-IPHT entwickelte

Mikroskopiemethode ermöglicht

detaillierte Ramanbildgebung mit

unübertroffener Geschwindigkeit.

32

Mikrofluidik – Das Labor der Zukunft auf einem Chip

Das Leibniz-IPHT blickt auf über 15

Jahre Expertise im Bereich der Mikro-

fluidik und Lab-on-a-Chip Technologie

zurück. In Zukunft soll die Technik

Standard-Laborverfahren ergänzen. Die

vielfältigen Einsatzmöglichkeiten las-

sen sich beim Blick in die Schubläden

voller Chips bereits erahnen.

36

TERS – Spitzenbilder aus der Nanowelt

Um mit spitzenverstärkter Raman-

Spektroskopie extrem hochaufgelöste

und detaillierte chemische Karten einer

Probe zu erhalten sind nanotechnolo-

gisch präparierte Spitzen unerlässlich.

42

Wissenschaftliche Beiträge in der App

44

Das Leibniz-IPHT auf einen Blick – Kennzahlen aus 2016

46

Organigramm //Forschungseinheiten

47

Wissenschaftlicher Beirat //Kuratorium

48

Vereinsmitglieder

49

Finanzen des Institutes 2016

50

Personal des Institutes 2016

Inhalt

5------

4------

Spektroskopische Diagnostik an der

Chemisch-Geowissenschaftlichen-

Fakultät der FSU ernannt. Verbunden

mit der Professur ist die Leitung der

gleichnamigen Forschergruppe am

Leibniz-IPHT und dem Center for

Sepsis Control and Care (CSCC) des

Universitätsklinikum Jena. Durch die

enge Zusammenarbeit gelingt es Prof.

Neugebauer den Transfer von Ergeb-

nissen aus der Grundlagenforschung

in die Medizin weiter voranzutreiben.

» Das Leibniz-IPHT hat als Koor-

dinator des Forschungsverbundes

Leibniz-Gesundheitstechnologien

im Sommer 2016 das Thema Sepsis

prominent in der Zeitschrift „Bild

der Wissenschaft“ platziert. In einer

Artikelstrecke wurde ausführlich über

aktuelle Arbeiten des Institutes und

des Forschungsver bundes auf dem

Gebiet der Infektions diagnostik und

-therapie berichtet und die Thema-

tik damit einem breiten Publikum

nahegebracht. Die Zeitschrift ist das

auflagenstärkste wissenschaftliche

Magazin im deutschsprachigen Raum

und erreicht monatlich zirka 450.000

Leserinnen und Leser.

Informationen zur Organisations­

struktur und aktuellen Kennzahlen

finden Sie auf den Seiten 44 bis 50.

Datenanhänge inkl. einer Liste der

Fachbeiträge finden Sie in unserer

App.

Jahresrückblick 2016

7------

6------

» Auf Initiative des Leibniz-IPHT

wurde im August 2016 in Fortaleza,

Brasilien eine gemeinsame Erklärung

zur engeren Zusammenarbeit zwischen

brasilianischen und deutschen For-

schungseinrichtungen vorgestellt und

durch Vertreterinnen und Vertretern

von sieben beteiligten Institutionen

feierlich unterzeichnet. Die Betei-

ligten möchten mit der bilateralen

Partnerschaft die wissenschaftlichen

Beziehungen beider Länder intensi-

vieren. Durch Abkommen mit dem

Centre for Nanoscale BioPhotonics im

australischen Adelaide, der Univer-

sity of California und dem Institut

Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) im

indonesischen Surabaya wurde das

internationale Kooperationsnetzwerk

des Leibniz-IPHT im Sinne der Inter-

nationalisierungsstrategie gestärkt und

weiter ausgebaut.

» Insgesamt 14 Wissenschaftler-

innen und Wissenschaftler des

Leibniz-IPHT sowie der Friedrich-

Schiller-Universität Jena besuchten im

August die 25. International Conference

on Raman Spectroscopy (ICORS) in

Brasilien. In der begleitenden Indus-

trieausstellung präsentierte sich das

Institut mit einem eigenen Stand. Im

Rahmen der Konferenz veranstaltete das

Leibniz-IPHT in Kooperation mit dem

Deutschen Wissenschafts- und Inno-

vationshaus, São Paulo (DWIH-SP), der

Leibniz-Gemeinschaft, dem Forschungs-

verbund „Leibniz Gesundheitstechnolo-

gien“ und der Deutschen Forschungs-

gemeinschaft (DFG) einen Workshop

mit dem Ziel, mögliche zukünftige

Forschungsprojekte zu identifizieren.

» Als Partner in mehreren erfolgreich

gestarteten Projekten des europäischen

Horizon2020 Programms, knüpfte das

Leibniz-IPHT vergangenes Jahr wert-

volle wissenschaftliche Kontakte zu

Partnern aus Forschung und Industrie.

Die Themen der Forschungsprojekte

reichen von multimodaler Bildgebung

(MOON), über Point-of-Care Diagnostik

(MIB) bis hin zu künstlichen Nerven-

systemen aus Glasfasern (FINESSE).

» Um die optische Analyse von

biologischen Proben zu verbessern,

wurde am 1. Juli 2016 das „Jena

Biophotonic and Imaging Labora-

tory“ (www.bil-jena.de) ins Leben

gerufen. Wissenschaftlerinnen und

Wissenschaftler erhalten damit einen

einzigartigen Zugang zu methoden-

übergreifenden, multimodalen Bildge-

bungsverfahren. Partner des Zentrums

sind neben dem Leibniz-IPHT die

Friedrich-Schiller-Universität Jena sowie

das Universitätsklinikum Jena. Das von

der DFG geförderte Zentrum steht For-

schungsinstituten, Firmen und Univer-

sitäten für Fragestellungen rund um die

biophotonische Analytik zur Verfügung.

» Seit April stärkt Prof. Ute Neu-

gebauer die Forschung rund um das

Thema spektroskopische Diagnostik

von Infektionen und Sepsis. Prof.

Neugebauer wurde gemeinsam von

der Friedrich-Schiller-Universität

(FSU) und dem Leibniz-IPHT zur

Professorin für Physikalische Che-

mie mit dem Schwerpunkt Klinisch-

Ausgezeichnetes Personal

Im vergangenen Jahr wurden viele

der herausragenden Leistungen

von Wissenschaftlerinnen und

Wissenschaftlern des Leibniz-IPHT

mit internationalen und nationalen

Preisen geehrt – darunter zahlreiche

Posterpreise für Doktorandinnen und

Doktoranden. Eine Auswahl:

Volker Deckert // Raman Award for

the most Innovative Technological

Development (ICORS 2016)

Torsten Frosch // Bunsen-Kirchhoff-

Preis für analytische Spektroskopie

(GDCh, DAAS)

Alexej Grjasnow, Mario Kanka, Rainer

Riesenberg // Thüringer Forschungspreis

in der Kategorie Angewandte Forschung

Thomas Henkel, Ute Neugebau­

er, Jürgen Popp // Gold-Medaille

der iENA 2016 (68. Internationalen

Fachmesse für Ideen, Nürnberg)

Sandro Heuke // VAA-Stiftungspreis

2016 für herausragende Forschungs-

arbeiten (VAA-Stiftung)

Matthias Jäger // Senior Member der

Optical Society of America (OSA)

Guobin Jia, Jonathan Plentz // Silber-

Medaille der iENA 2016 (68. Internatio-

nalen Fachmesse für Ideen, Nürnberg)

Jürgen Popp // Aufnahme in das College

of Fellows des American Institute for Me-

dical and Biological Engineering (AIMBE)

Jürgen Popp // Pittsburgh Spectro-

scopy Award (PITTCON 2016)

Volkmar Schultze // Gold-Medaille

der iENA 2016 (68. Internationalen

Fachmesse für Ideen, Nürnberg)Prof. Volker Deckert bei der Verleihung des Raman Awards auf der International Conference on Raman Spectroscopy in Fortaleza, Brasilien

Im Themenschwerpunkt Sepsis berichtet die „Bild der Wissenschaft“ ausführlich über die Forschungsaktivitäten des Leibniz-IPHT sowie des Forschungsverbundes Leibniz-Gesundheitstechnologien

Feierliche Unterzeichnung einer gemeinsamen Erklärung zur engeren Zusammenarbeit zwischen brasilianischen und deutschen Partnern

Parlamentarischer Abend der Leibniz-Gemeinschaft in Zusammenarbeit mit dem Forschungsverbund Leibniz-Gesundheitstechnologie zum Thema Infektionsdiagnostik

» Mit zahlreichen wissenschaftlichen Ko-operationen baute das Leibniz-IPHT im vergangenen Jahr seine internationale Sicht-barkeit weiter aus. Dazu zählen die Mitar-beit in europaweiten Forschungsverbünden und Kooperationsabkommen mit Partnern

aus Brasilien, Indonesien und Australien. Auf nationaler Ebene festigte das Institut seine Zusammenarbeit mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industriepart-nern auf dem Gebiet der Biophotonik. Eine Auswahl von Ereignissen im Überblick:

Forschergruppe Nanooptik

Gezielte Wechselwirkung von Molekülen mit Licht

25 Jahre IPHT

» Dr. Jer-Shing Huang verfügt über ein nur wenige Nanometer großes Werkzeug: Nanoan-tennen. An den winzigen Antennen aus Metal-len oder Halbleitermaterialien bündelt er das eingestrahlte Licht in einem Bereich, dessen Ausdehnung unterhalb des Abbe-Limits liegt, der Auflösungsgrenze von etwa der halben Lichtwellenlänge. Damit kann er Wechselwir-kungen mit Molekülen intensivieren, die ohne die Nanoantennen nicht möglich oder nur sehr schwach wären. Seit dem 1. November 2016 leitet der Wissenschaftler Huang die neue Forschergruppe Nanooptik, die an der Schnittstelle zwischen Chemie, Physik, Optik und Mikro-Nanotechnologien arbeitet.

Die Gruppe um Huang untersucht und steuert die grund-

legenden Prozesse der Wechselwirkung von Licht mit Ma-

terie im Nanobereich. Über das Design der Antennenstruk-

turen kann er Intensität, Resonanzfrequenz, räumliche

Verteilung oder die Polarisation des Lichtfelds beeinflus-

sen. Hierbei stützt sich Jer-Shing Huang auf theoretische

Modellierungen mit denen er die Feldeigenschaften im

Voraus berechnen kann. Zur Erzeugung der komplexen

nanoskaligen Antennen greift die Forschergruppe auf Ver-

fahren der Mikro- und Nanotechnologie am Leibniz-IPHT

zurück. Gleichfalls bildet die Erforschung und Entwicklung

neuer Strukturierungstechniken einen Arbeitsschwerpunkt.

Zur Charakterisierung der Struktur-Funktions-Beziehungen

sowie der Wechselwirkungsprozesse nutzt das Forscher-

Team die umfangreiche Palette an spektroskopischen

Techniken des Leibniz-IPHT sowie eigene Methoden wie

die Zirkulardichroismus-Spektroskopie oder Fluoreszenzle-

bensdauerspektroskopie. Anwendungsgebiete der Nanoan-

tennen sind zum Beispiel die hochempfindliche Detektion

der molekularen Chiralität, welche die biologische und

therapeutische Aktivität von Medikamenten bestimmt.

Computerchips könnten in Zukunft Nanoantennen als eine

neue Generation photonischer integrierter Schaltkreise

enthalten und damit noch schneller werden. Weiterhin

stellen die Nanostrukturen neuartige Werkzeuge für die

Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie oder für die

Manipulation von Objekten mit Hilfe von Licht dar.

Bevor Jer-Shing Huang ans Leibniz-IPHT kam, forschte

und lehrte er am Institut für Chemie der renommierten

National Tsing Hua Universität (NTHU) in Taiwan auf dem

Gebiet der nanoskaligen Licht-Materie-Wechselwirkung.

Er erhielt unter anderem den Preis der Universität für

ausgezeichnete Lehre und Forschung sowie das ange-

sehene „Gold-Jade-Fellowship“, mit dem hervorragende

Grundlagenforschung junger Wissenschaftler in Taiwan

ausgezeichnet wird. Im Sommer 2016 konnte sich Huang

als Gastprofessor der Abbe School of Photonics an der

Friedrich-Schiller-Universität Jena bereits von den Vorteilen

des Forschungsstandorts überzeugen. „Das Angebot die

Stelle in Jena anzutreten, habe ich sehr gerne angenom-

men.“ betont Huang, der ein weiteres Angebot zu Gunsten

des Leibniz-IPHT ausschlug. „Zum einen fühle ich mich

durch meine Familie mit Deutschland sehr verbunden. Zum

anderen finde ich hier hervorragende Arbeitsbedingungen

für meine Forschung. Jena ist ein weltklasse Forschungs-

standort mit einer langen Geschichte im Bereich der Optik

und ich bin stolz, in Zukunft ein Teil davon zu sein.“

» Gemeinsam mit Gästen aus Wissenschaft, Wirt schaft und Politik feierte das Leibniz-Institut für Photonische Technologien im Januar sein 25-jähriges Institutsjubiläum mit einem Festakt im Volksbad Jena. Im Jahr 1992 zunächst unter dem Namen Institut für

Physikalische Hochtechnologie gegründet, ist das Institut heute unter dem Namen Leibniz-Institut für Photonsiche Technologien als Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft fest in der nationalen und internationalen Forschungs-landschaft verankert.

Mit dem klar definierten Forschungs-

profil „Photonics for Life“ und dem

Anspruch Forschung von den Grundla-

gen bis hin zu Verfahren und Syste-

men für die Anwendung zu betreiben,

übernimmt das Leibniz-IPHT eine

zentrale Rolle bei der Erforschung von

photonischen Lösungen für Fragestel-

lungen aus den Bereichen Gesundheit,

Medizin, Umwelt und Sicherheit.

Zu den wissenschaftlichen Erfolgen

des Instituts zählen zum Beispiel

hochempfindliche Sensoren, die die

Oberflächentemperatur des Mars mes-

sen, die Etablierung spektroskopischer

Verfahren zur schnellen Vor-Ort Infek-

tionsdiagnostik, die linsenlose Mikros-

kopie, die THz-Kamera als Alternative

zu den umstrittenen Nacktscannern

sowie Verfahren zur Herstellung von

Spezialfasern für Hochleistungslaser.

Prof. Jürgen Popp, der das Institut

seit 2006 leitet, bekräftigt: „Unsere

Erfolge verdanken wir sowohl der

herausragenden technologischen

Ausstattung, vor allem der modernen

Fasertechnologie und Mikro/Nanotech-

nologie, als auch der wissenschaftli-

chen Expertise der Mitarbeiterinnen

und Mitarbeiter des Instituts. Ihre

Motivation und ihr Engagement

machen das IPHT auch in Zukunft zu

einem Ort, an dem Ideen geboren

werden.“ Zur Geburtstagsfeier ins

Volksbad kamen 300 Gäste, darunter

zahlreiche Vertreter aus Forschung,

Wirtschaft und Politik wie Thüringens

Ministerpräsident Bodo Ramelow, der

Präsident der Leibniz-Gemeinschaft

Prof. Matthias Kleiner und Jenas Ober-

bürgermeister Dr. Albrecht Schröter.

Einen umfassenden Überblick über die

Forschungsaktivitäten der vergange-

nen 25 Jahre gibt die Jubiläumsaus-

gabe „25 Jahre Leibniz-Institut für

Photonische Technologien“.

Dr. Jer-Shing Huang im Labor in Taiwan

Gäste aus Politik und Forschung Grußwort von Bodo Ramelow

Plasmonische Dopplerstruktur

Die Band JazzFriends

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Mikro- und Nano-technologien des Reinraums

» Die modernen mikro- und nanotechnologischen Verfahren und Prozesse des Leibniz-IPHT bilden die technologische Basis, um die zum Teil weltweit einzigartigen optischen Materialien, Sensoren und Bauelemente am Institut zu realisieren.

Die umfassende Technologiekette am Institut reicht von verschie-

denen Strukturierungstechniken, Dünnschichttechnologien, Selbstor-

ganisationsverfahren bis hin zur Mikrosystemtechnik. Die folgenden

Beiträge geben einen Überblick wie mit Mikro- und Nanotechnologi-

en beispielsweise Thermosensoren, leistungsfähige optische Glas-

fasersensoren, Nanopartikel aus Gold, Silber oder Silizium sowie

mikrofluidische Bauelemente für die unterschiedlichsten Anwen-

dungsgebiete hergestellt werden.

13------

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Mikro- und Nanotechnologien des Reinraums

A.1 Beschichtung mit Resist (Spin- oder Sprühbelackung)

A.2Direktbelichtung und Entwicklung des Resists

A.3Vakuum-Beschichtung (Bedampfen oder Sputtern)

A.4Entfernen des Resists (Lift-Off-Prozess)

B.1Beschichtung mit Funktionsschicht (Sputtern, B edampfen, Chemische Gasphasenabschei-dung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD)

B.2Beschichtungmit Resist

B.3Belichtung und Entwicklung des Resists

B.4Ätzen (nasschemisch oder Plasma)

B.5Entfernen des Resists (Strippen)

» Mit modernsten Lithographietechniken und Methoden

der Selbst organisation werden komplexe funktionelle

Mikro- und Nanostrukturen für Detektoren, plasmonische

Strukturen, mikrofluidische Lab-on-a-Chip-Systeme, mikro-

und nanooptische Bauelemente und photonische Systeme

erforscht und hergestellt. Ein besonderer Ort am Leibniz-

IPHT ist der rund 1.500 m2 große Reinraum. Die 730 m2

Weißfläche werden gemeinsam mit der Friedrich-Schiller-

Universität und dem Fraunhofer IOF genutzt. Im technolo-

gischen Herz des Institutes kommt eine Kombination von

Dünnschichttechnologie, Nanolithographie und Mikrosys-

temtechnik zum Einsatz, um innovative Struktur- und

Funktionselemente für biophotonische und photonische

Anwen dungen aus nahezu allen Abteilungen zu schaffen.

Resistbeschichtung in der Photolithographie Membranwafer

Vom Siliziumsubstrat bis zum strukturierten Wafer

2.Rein -raum -etage

1.Rein -raum -etage

Mikro- und Nanotechnologie

Vom Substrat bis zur Funktionsstruktur

Substrat (Si)

Photoresist

Funktionsschicht

Chrommaske

Substrat (Si)

Photoresist

Funktionsschicht

Entwicklerbad

A.1 Beschichtung mit Resist (Spin- oder Sprühbelackung)

A.2 Direktbelichtung und Entwicklung des Resists

mit Laserlithographie oder Elektronen-strahllithographie (Strukturgrößen bis 0,8 µm bzw. 0,03 µm)

B.1 Beschichtung mit Funktionsschicht (Sputtern, B edampfen, Chemische Gas-phasenabscheidung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD)

B.2 Beschichtungmit Resist

B.3 Belichtung und Entwicklung des Resists

mit Maske (Mask-Aligner) oder Wafer-Stepper (Step and Repeat), (Struktur-größen bis 2 µm bzw. 0,8 µm)

Verschiedene Photo-Resiste

ALD-Anlage Mask Aligner

14------

Substrat- / Maskensäuberung

15------

Resistbeschichtung Spincoating Entstehung eines homogenen Resistfilmes Trocknung

Substrat (Si)

Photoresist

Entwicklerbad

Substrat (Si) Substrat (Si)

Photoresist

Substrat (Si)

Funktionsschicht

Substrat (Si)

Photoresist

Substrat (Si)

Funktionsschicht

Photoresist

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Mikro- und Nanotechnologie

Vom Substrat bis zur Funktionsstruktur

Substrat (Si)

Photoresist

Funktionsschicht

Substrat (Si)

Photoresist

Funktionsschicht

Substrat (Si)

Funktionsschicht

Au, Ag, Al, SiO2, Si

3N

4, Al

2O

3, TiO

2, NbN, AlN

Al, Nb, Au, Ta, NiCr, Si, SiO

2, C, ...

Substrat (Si)

Photoresist

VakuumSputtern

A.3 Vakuum-Beschichtung (Bedampfen oder Sputtern)

A.4 Entfernen des Resists (Lift-Off-Prozess)

B.4 Ätzen(nasschemisch oder Plasma)

B.5 Entfernen des Resists (Strippen)

Au, Ag, Al, Ti, Pt, MgO, ...

Substrat (Si)

Photoresist

VakuumBedampfen

Sichtkontrolle nach Lift-Off Sichtkontrolle eines geätzten 100 mm Wafers

Substrat (Si)

Photoresist

Substrat (Si)

Photoresist

Substrat (Si)

Au, Ag, Al, Ti, Pt, MgO, Nb, Ta, NiCr, Si, SiO2, C

Nanolithographie auf Waferlevel

Die Elektronenstrahl- Charakterprojektion

» Chipbasierte plasmonisch aktive Oberflächen für bio- und chemosensorische Anwendungen bestehen aus künstlich hergestellten, meist periodischen Metallstrukturen. Die Größe der Strukturen liegt weit unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Oft sind sie kleiner als 100 Nanometer und weisen Gitterperioden bis hinab zu 100 Nanometer auf.

Elektronenstrahl-Lithographie: Vergleich der Schreibprinzipien

19------

18------

Mit Hilfe der Elektronenstrahllithographie

lassen sich kleinen Strukturen auf einer

Waferoberfläche erzeugen, jedoch stößt

die Technik bei der Belichtung großflä-

chiger Areale an ihre Grenzen. Für die

Bio- und Chemosensorik mittels ober-

flächenverstärkter Raman-Spektroskopie

(SERS) werden regelmäßige plasmoni-

sche Nanostrukturen auf einer Fläche

im Quadratmillimeterbereich benötigt.

Herkömmliche Anlagen zur Elektro-

nenstrahllithographie, die einen feinen

Gaußschen Elektronenstrahl besitzen,

benötigen zur Erzeugung der Strukturen

Tage oder Wochen. Schneller als das

Belichten mit einem einzelnen Strahl ist

die Elektronenstrahllithographie mit Hilfe

des variablen Formstrahls, der beispiels-

weise ein kleines Rechteck mit einem

einzigen „Schuss“ belichtet. Komplexe,

nicht-achsenparallele Strukturen, müs-

sen durch Rechteckzerlegung angenä-

hert werden und erfordern auch mit

dieser Technik hohe Belichtungszeiten.

Die am Beutenberg Campus verfügba-

re Elektronenstrahlbelichtungsanlage

Vistec SB 350 OS, gemeinsam genutzt

durch das Fraunhofer Institut IOF

(Anlagenstandort), das Institut für An-

gewandte Physik IAP der FSU Jena und

dem Leibniz-Institut für Photonische

Technologien IPHT, arbeitet nach dem

Prinzip des „variablen Formstrahls“. Sie

ist zudem um eine in der Forschungs-

landschaft nahezu einzigartige Technik,

die Charakterprojektion, erweitert. Diese

reduziert den bisher hohen Zeitaufwand

bei der Belichtung komplexer geomet-

rischer Strukturen drastisch. Wie eine

Blende werden mikrotechnologisch

hergestellte Durchstrahlungsmasken in

den Strahlengang des Belichtungstrahls

eingefügt. Pro Belichtung überstreicht

die Maske eine Fläche von 2,5 x 2,5 Mi-

krometern auf dem Wafer und erlaubt

damit die parallele Belichtung vieler

Strukturen. Die Blenden existieren in

mehr als 500 verschiedenen Struktur-

geometrien, den Charakteren. Indem

die Charaktere miteinander oder mit

einem Formstrahl kombiniert werden,

kann eine hohe Vielfalt an komplexen

Mustern reproduzierbar auf der Wa-

feroberfläche erzeugt werden.

Mit der Charakter-Projektionstechnik

reduziert sich die Belichtungszeit für

einen kompletten Wafer mit Chips

bestehend aus 250 Nanometer gro-

ßen 2D-Gittern von 60 Stunden auf 3

Stunden. Durch die kurze Schreibzeit

verringern sich zeitabhängige Störein-

flüsse was zu einer höheren Qualität

und Homogenität der erzeugten

Strukturen führt.

Mehr zur Lebensmittelanalytik mittels

Raman-Spektroskopie erfahren Sie

in unserer App: „Entwicklung von

Lebensmittelanalyse-Anwendungen

basierend auf oberflächenverstärkter

Raman-Spektroskopie“

Spurendetektion verbotener Substanzen in Lebensmitteln mittels SERS-Substraten

Gold-Bowties auf Si als Templates für TopUp-SERS, Periode 400 nm

100 mm Wafer mit SERS-Strukturen (Gitterfläche 550 mm2, Periode 250 nm)

Gauß-Strahl (GB)

Loch-Aperture

Schreibmode:Schreibgeschwindigkeit:

schnelllangsam

seriellschnell

Quasi-Parallelsehr schnell

Winkel-blenden

Apertur-Tisch mit Charakterblenden

Flexibel durch Kombination von

VSB- und CP-Mode

Variabler Form-Strahl (VSB) Variabler Form-Strahl mitCharakter-Projektion (CP)

Que

lle: D

LR; h

ttp:

//w

ww

.dlr.

de

21------

20------

Thermosensoren – Aufbruch in neue Welten

werden im Gegensatz zum üblichen

Tiefenätzen (BULK micromachining)

die freistehenden filigranen Empfän-

gerstrukturen durch selektive Be-

schichtungs- und Ätzprozesse auf der

Oberfläche des Siliziumträgers erzeugt.

Die zukünftig zu adressierenden

Anwendungsgebiete wie die mobile

Gasanalytik erfordern neben der Hoch-

detektivität der Sensoren leistungs-

fähige miniaturisierte Infrarotquellen.

Beide Bauelemente bilden eine Gas-

messzelle, die erfasst, welches und

wieviel Gas sich zwischen Lichtquelle

und Sensor befindet. Zur Auswertung

vergleicht eine Smartphone-App die

Messwerte mit Spektren aus einer

online-Datenbank. Diese Geräte bzw.

Module sollen mit regionalen mittel-

ständigen Industriepartnern zusam-

men entwickelt werden und bilden die

Grundlage für tragbare hochempfindli-

che Gasanalysesysteme.

Die Thermosensoren funktionieren

nach dem thermoelektrischen Prinzip.

Dabei empfangen die Sensoren Inf-

rarotstrahlung, also Wärmestrahlung,

die sie in eine sehr kleine elektrische

Spannung umwandeln. Erst durch

Verbindung vieler Thermoelemente zu

einer sogenannten Thermosäule wird

ein mit Standardelektronik auswert-

bares Spannungssignal erzeugt. Das

Sensordesign wird zunächst durch

thermische und mechanische Simu-

lationsrechnungen optimiert. Nach

anschließender Layoutprozessie-

rung entstehen die miniaturisierten

Thermosäulen auf Siliziumsubstraten

im Reinraum mittels klassischer

Mikrotechnologien. Um zukünftige

Anforderungen beispielsweise für

miniaturisierte Gasmessgeräte zu

erfüllen, erforschen die Wissenschaft-

lerinnen und Wissenschaftler neue

Herstellungsverfahren für die Senso-

ren. Mittels Oberflächenmikromechanik

(engl. surface micromachining – SMM)

Hauchdünne freitragende Membranen – das Herzstück der Thermosensoren

Bsp. TIMERS-Sensoren:

• Materialbasis Thermoelement: BiSb, Sb

• Detektorformat: 5 x 64 Pixel, diskret auslesbar

• Pixelgröße: 250 μm x 270 μm

• Absorber: breitbandig absorbierender Rußabsorber (Ag)

• Einsatztemperatur: 170-300 K (Temperaturbereich für die geplante Welt-

raummission; Einsatztemperatur auf der Erde bis 180 °C)

• Wellenlängenbereich: 8 bis 200 µm (Weltraum, mit Ag-Ruß empfindlich

zwischen 0,4 und 20 (40) µm Wellenlänge)

• Wafer: 100 mm Silizium-Wafer

• Membrantyp stressangepasstes Siliziumnitrid

• Chip Abmessungen Breite: 12,1 mm; Länge: 26,6 mm

• Empfängerfläche 190 x 190 μm²

» Seit mehr als 50 Jahren entwickeln Mitar-beiterinnen und Mitarbeiter am Leibniz-IPHT robuste, miniaturisierte Strahlungssensoren mit hoher Detektivität. In Raumfahrtmissi-onen, die die Technologietreiber darstellen, messen die Thermopilesensoren u.a. berüh-rungslos die Oberflächentemperatur von

Kometen oder Planeten. Neben dem Weltraum liegen die Einsatzgebiete der Zukunft haupt-sächlich auf der Erde. Integriert in kleine Messgeräte könnten die Sensoren zum Bei-spiel für die Gasanalyse mit Mobiltele fonen oder tragbaren Zusatzgeräten Einzug in unseren Alltag halten.

Freitragende Siliziumnitrid-Membran in Form der Spiralstruktur geätzt (REM)

Simulierte Temperaturverteilung innerhalb der Empfängerfläche (Temperaturdifferenz ca. 0,11 K) der Spiralstruktur

Schematische Darstellung freitragender sowie strukturierter Siliziumnitrid-Membranen, Die Freistellung erfolgt durch Tiefenätzen mit Lauge.

» Sie sind integraler Bestandteil hochemp-findlicher Temperatursensoren und neuer ul-traschneller Einzelphotonendetektoren oder dienen als Schutzschichten für Nanostruktu-ren: wenige Nanometer dünne Schichten aus Aluminiumnitrid, Niobnitrid, Aluminium-

oxid, Titandioxid oder Siliziumdioxid. Mit der Atomlagenabscheidung (ALD, engl.: Atomic layer deposition) gelingt es die hauchdünnen Schichten gleichmäßig und nahezu defektfrei auf Oberflächen abzuscheiden.

in einem selbstlimitierenden Prozess

mit der reaktiven Oberfläche des Sub-

strates zur ersten Moleküllage. Die

funktionellen Gruppen des Präkursors

sind dabei so konzipiert, dass der

Präkursor nicht mit sich selbst oder

mit entstehenden Reaktionsprodukten

reagiert. Nicht-gebundene Reste des

erstes Präkursors lassen sich durch

Spülen des Reaktors mit Inertgasen

entfernen. Der anschließend einge-

lassene zweite Präkursor reagiert,

unter Abspaltung der funktionellen

Gruppen der bereits gebundenen

Monolage, zum zweiten Segment der

gewünschten Schichtzusammenset-

zung. Abschließend wird der Reaktor

nochmals mit Inertgasen gespült.

Durch die Anzahl der Prozesszyklen

und die Wahl der Präkursoren ist es

möglich, das Dickenwachstum und

die chemische Zusammensetzung der

dünnen Schichten exakt und einfach

zu steuern. Bei der klassischen ALD

erfolgt die Aktivierung des Substrats

durch hohe Substrattemperaturen bis

etwa 500 Grad Celsius. Besonders bei

temperaturempfindlichen Substraten

Am Leibniz-IPHT ist das ALD-Ver-

fahren eine Schlüsseltechnologie, um

neue Anwendungen zu realisieren.

So konnten erstmalig hochauflösende

supraleitende Einzelphotonenzähler für

die Tieftemperatursensorik mit einer

etwa 5 Nanometer dünnen polykris-

tallinen Niobnitridschicht hergestellt

werden. Weiterhin werden dünne

Schichten aus Siliziumdioxid und

Titandioxid als dielektrische Funkti-

onsschichten für Metamaterialien oder

als Schutzschicht für plasmonische

Nanopartikel untersucht.

Ähnlich der Chemischen Gasphasen-

abscheidung (CVD, engl. Chemical

Vapor Deposition), werden bei der

Atomlagenabscheidung in einem

Reaktor chemische Verbindungen

auf der Oberfläche eines Substrats

abgeschieden. Die dafür nötigen

Reaktanden, auch Präkursoren ge-

nannt, gelangen im Gegensatz zur

CVD abwechselnd nacheinander in

den Reaktor. Dadurch ergibt sich ein

zyklischer Prozessablauf, der meist

aus vier oder mehr Einzelschritten

besteht: Der erste Präkursor reagiert

ermöglicht die Weiterentwicklung zum

Plasma-gestützten ALD-Prozess die

Abscheidung von Schichten bei Tem-

peraturen weit unter 100 Grad Celsius.

Gegenüber anderen Abscheidever-

fahren wie beispielsweise Sputtern

erlaubt die ALD eine sehr einheitliche

Beschichtung großflächiger Substrate

ohne Löcher oder größere Defektstel-

len. Erhabene oder tiefe Strukturen

mit hohen Aspektverhältnissen,

die sich mit üblichen Verfahren nur

ungleichmäßig beschichten lassen,

können aufgrund der selbstlimitieren-

den Präkursorenreaktion mit der ALD

strukturtreu beschichtet werden. Ein

weiterer Vorteil: Durch den separaten

Einlass der Präkursoren in den Reaktor

lassen sich in mehrstufigen Prozessen

komplexere Schichtzusammensetzun-

gen realisieren.

Wie man nanometerdünne Niobnit-

ridschichten zur schnellen Einzelpho-

tonendetektion nutzt erfahren Sie in

unserer App: „Eigenschaften nano-

meterdünner Niobnitridschichten für

ultraschnelle Einzelphotondetektion“

Atomlagenabscheidung

Schicht für Schicht zur Funktion

Supraleitende Niobnitrid-Spule erzeugt durch ALD / Elektronenstrahllithographie

Probenhandling an der ALD-Beschichtungsanlage in reiner Stickstoffatmosphäre im Reinraum des IPHT

Konforme ALD Multilayer aus Al2O

3 und TiO

2

Silber-Siliziumdioxid Hybridstruktur, hergestellt durch metastabile ALD

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22------

» Künstliche Atome mit ihren besonderen physikalischen Eigenschaften sind ausge-zeichnete Forschungsobjekte, um grundle-gende quantenmechanische Effekte zu un-tersuchen. Die am Leibniz-IPHT etablierten mikro- und nanotechnologischen Verfahren ermöglichen die reproduzierbare Herstellung künstlicher Atome, die zur Grundlagenfor-

schung auf den Gebieten der Licht-Materie-Wechselwirkung, der Quantenoptik, der Detektion einzelner Photonen im Mikrowel-lenbereich, neuer Metamaterialien und des Quantencomputings dienen. Die grundlegen Erkenntnissen aus diesen Bereichen fließen zum Beispiel in neue hochempfindliche opti-sche Detektionsverfahren am Institut ein.

Obwohl sie viel größer als Atome sind,

folgen mikrostrukturierte Schaltkreise

aus supraleitenden Materialien den Ge-

setzen der Quantenmechanik. Wie ihre

natürlichen Vorbilder besitzen die oft als

künstliche Atome bezeichneten Schalt-

kreise diskrete, individuell adressierbare

Energieniveaus und können daher Licht

einer bestimmten Wellenlänge absor-

bieren. Ein großer Vorteil künstlicher

Atome ist, dass Wissenschaftlerinnen

und Wissenschaftler die Lage der

Energieniveaus, ihre Wechselwirkung

untereinander und ihre Wechselwirkung

mit dem eingestrahlten Licht durch

elektrische oder magnetische Felder

exakt kontrollieren und variieren können.

Gleichzeitig führt die makroskopische

Ausdehnung zu schnelleren Zerfallsra-

ten der atomaren Anregungen. Diese

werden durch ein sehr viel größeres

Dipolmoment und dadurch schnellere

Licht-Atom-Wechselwirkung aufgewo-

gen. Aufgrund der geringen Aufspaltung

ihrer Energieniveaus absorbieren die

Supraleiterschaltkreise, Strahlung im

Mikrowellenbereich, die etwa sechs

Größenordnungen langwelliger als die

optischen Übergänge in Atomen und

Molekülen ist. Um einen thermisch

angeregten Übergang zwischen den

Energieniveaus zu verhindern, müssen

experimentelle Anordnungen zur Ein-

zelphotonendetektion auf Temperaturen

nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt

werden. Für die Einzelphotonendetek-

tion wird ein künstliches Atom z. B. an

eine supraleitende Kavität gekoppelt.

Durch Anregung in einem elektroma-

gnetischen Feld bildet sich in diesem

Hohlraum unter Resonanzbedingungen

eine stehende Welle. Das gleiche

Prinzip bringt Holzblasinstrumente zum

Klingen. Im Unterscheid zum hörbaren

Ton eines Instruments liegt die Reso-

nanzwellenlänge der supraleitenden Ka-

vität im Mikrowellenbereich. Schon die

Absorption eines einzelnen Photons im

künstlichen Atom verändert die Trans-

missionseigenschaften des Resonators.

Dieser Effekt ist messbar und dient dem

Nachweis des absorbierten Photons.

Die physikalischen Eigenschaften

eines künstlichen Atoms basieren

auf quantenmechanischen Effekten

der Supraleitung und des Joseph-

soneffektes. Der supraleitende Ring

aus Aluminium, unterbrochen durch

mehrere sub-mikron große Joseph-

Supraleitende Nanoschaltkreise als künstliche Atome

sonkontakte aus Aluminiumoxid, wird

mit Hilfe nano- und mikrotechnolo-

gischer Beschichtungsverfahren auf

vorgefertigte Chips aufgebracht. Diese

enthalten zuvor mikrostrukturierte Zu-

und Kontrollleitungen. Die Anzahl der

künstlichen Atome und ihre Anordnung

auf einem Chip ist variabel. So dient

beispielsweise das Design im Bild

unten links dem Nachweis der kollek-

tiven Wechselwirkung von 20 Atomen

mit elektromagnetischer Strahlung.

Über die geometrische Anordnung

der Atome lässt sich deren Interakti-

on gezielt steuern. Diese Strukturen

stellen den ersten Schritt hin zu neuen

Quantenmetamterialien dar.

Der Chip wird im ganz links gezeig-

ten Kühlsystem auf Temperaturen

von wenigen Millikelvin über dem

absoluten Nullpunkt abgekühlt. Bei

diesen Temperaturen gewinnt die

Quantennatur der Mikrowellenstrah-

lung an Bedeutung. Erst dann können

die Wissenschaftler die Effekte der

Wechselwirkung von Licht mit den

künstlichen Atomen untersuchen.

Mehr über Einzelphotonendetektoren

im Mikrowellenbereich lesen Sie

unserer App: „Einzelphotonendetekto-

ren im Mikrowellenbereich“

Zwanzig künstliche Atome im Zentrum einer supraleitenden Kavität. Kontaktierter Chip mit künstlichen Atomen

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Unterste Temperaturstufe des Kühlsystems, in dem Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung in künstlichen Atomen gemessen werden.

» Top-down oder Bottom-up Verfahren ermög-lichen es nanoskaliges Silizium herzustellen, dessen chemisch-physikalische Eigenschaften sich von denen des makroskopischen Feststoffs unterscheidet. Nanostrukturiertes Silizium auf Glasträgern stellt die Materialgrundlage für neue preiswerte und effizienten Dünnschicht-solarzellen dar, die in Zukunft die konventio-nelle Siliziumphotovoltaik ablösen könnten. Mit den am Leibniz-IPHT etablierten Techno-logien zur Herstellung von Siliziumnanodräh-ten erschließen sich immer neue Anwendung jenseits der Photovoltaik. Das Einsatzspektrum reicht von biophotonischen Nanostrukturen für die Bereiche Medizin und Gesundheits-technik bis hin zu neuen Sensor- und Detek-tormaterialien für die Grundlagenforschung. In einem Innovationsprojekt erforschen Wis-

senschaftlerinnen und Wissenschaftler fach-übergreifend das antimikrobielle Potential von Siliziumnanodraht-Teppichen. Mit Blick auf Antibiotika-resistente Erreger, könnten die Strukturen als neue antibakterielle Oberflä-chenbeschichtung für Implantate oder Oberflä-chen in Operationssälen dienen. Als Material für hochempfindliche Strahlungssensoren und Partikeldetektoren, Marker für die intrazellu-läre multi-modale Bildgebung und Krebsthe-ranostika findet nanostrukturiertes Silizium Verwendung in der Grundlagenforschung. Zur Herstellung von einheitlich strukturierten Nanodraht-Arrays, Nanopartikeln und dichten Teppichen aus einkristallinen Siliziumdrähten stehen am Leibniz-IPHT moderne nano- und mikrotechnologische Verfahren zur Verfügung.

Top-down oder Bottom-up:

Mit Nanotechnologie zu Siliziumnanostrukturen

Bottom-up: VLS-MethodeBeim Gas-Flüssig-Fest-Verfahren (engl. Vapor-Liquid-Solid

– VLS), einem Bottom-up-Prozess, wachsen einkristal-

line Nanodrähte aus Silizium auf einem Trägersubstrat.

Dafür wird eine zwei Nanometer dünne Goldschicht durch

Sputtern auf einen mit Silizium beschichteten Träger

aufgebracht. Beim Erhitzen des Trägers auf etwa 600

Grad Celsius in einem Reaktor zur Gasphasenabscheidung

schmilzt das Gold und bildet kleine Tröpfchen in Legie-

rung mit dem Silizium aus der darunterliegenden Schicht.

Anschließend wird Silan, eine gasförmige Siliziumverbin-

dung, in den Reaktor eingelassen, das an den nur wenigen

Nanometer großen flüssigen Goldtröpfchen adsorbiert.

Diese beschleunigen den Zersetzungsprozess des Silangas

zu elementarem Silizium. An Kristallkeimen in der Silizium-

schicht wachsen an den Stellen wo sich die Goldtröpfchen

befinden kristalline Drähte aus Silizium solange Silangas

zur Verfügung steht. Es entstehen eindimensionale Na-

nostrukturen deren Durchmesser und Position durch den

verwendeten Metallkatalysator bestimmt werden. Dieser

wird nach Abschluss des Wachstums aufgelöst.

Siliziumnanodrähte

Aufgrund ihrer Struktur und der da-

raus resultierenden Lichtstreuung

absorbieren Nanodrähte aus Silizium

im Vergleich zu Siliziumdünnschich-

ten deutlich mehr Licht, besonders

im infraroten Wellenlängenbereich.

Gleichzeitig besitzen sie hervorragen-

de Antireflexionseigenschaften. Diese

Vorteile nutzen Dr. Guobin Jia und Dr.

Jonathan Plentz gezielt, um die Effi-

zienz von Dünnschichtsolarzellen zu

erhöhen. Die IPHT-Wissenschaftler der

Arbeitsgruppe Photovoltaische Syste-

me erforschen verschiedene Bottom-

up und Top-down-Ansätze mit denen

sich die Nanostrukturen auf unter-

schiedlichen Träger erzeugen lassen.

Kostengünstige Trägermaterialien wie

Glas und skalierbare, großtechnisch

relevante Herstellungsverfahren sollen

nanostrukturierte Solarzellen zu einer

wettbewerbsfähigen Alternative zu

Wafersolarzellen machen.

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Beim Erhitzen auf etwa 600 Grad Celsius bilden sich winzige Goldtröpfchen.

Träger

Träger Träger

Träger

Silizium

Träger

Silizium

Träger

Auftragen einer dünnen Goldschicht

Zersetzung von Silangas zu Silizium. An den Goldtröpfchen wachsen Siliziumnanodrähte.

Entfernen des Goldes

Im Gegensatz zum Bottom-up-Prozess werden die Nano-

strukturen beim Top-down-Verfahren aus einer Silizium-

schicht herausgeätzt. Dafür kommen neben Siliziumwafern,

hauptsächlich Siliziumdünnschichten auf Glasträgern zum

Einsatz. Zur Nanostrukturierung wird die Schicht in eine

Lösung aus Flusssäure und Silbernitrat getaucht. Kommt

das Silizium mit der Lösung in Kontakt, bilden sich zufällig

verteilte Silbernanopartikel auf der Oberfläche. An den

Stellen an denen sich die Nanopartikel befinden, katalysie-

ren sie die Reaktion des elementaren Siliziums zu Silizium-

dioxid. Die Flusssäure in der Lösung ätzt das Siliziumdioxid

aus der Schicht heraus. Infolge der gleichzeitig ablaufen-

den Oxidations- und Ätzprozesse entstehen die mehrere 10

Mikrometer langen Siliziumdrähte. Durch die zufällige An-

ordnung der Silbernanopartikel auf der Oberfläche, bilden

sie dichte, unregelmäßige Teppiche.

Dieser Prozess dient zur Herstellung photolumineszender

Siliziumnanopartikel, die im Rahmen des transnationalen

„NanoPhoto“ Netzwerks unter Koordination von Dr. Vladi-

mir Sivakov seit kurzem als potentielle Krebstheranostika

erforscht werden. Um die hoch porösen Siliziumnanoparti-

kel mit Abmessungen kleiner 100 Nanometer zu erzeugen,

werden die Siliziumnanodrähte nach Ende des Ätzpro-

zesses durch Ultraschall zerkleinert. Aufgrund der großen

Oberfläche und der rot-orange-farbenen Photolumineszenz

der Siliziumnanopartikel eignen sich diese als Kontrastmit-

tel sowie als Vehikel für verschiedene Krebstherapeutika.

Geordnete Arrays: Nanosphärenlithographie und nasschemisches Ätzen

Mit einer Erweiterung des Verfahrens, der Nanosphären-

Lithographie, können wohldefinierte und geordnete Arrays

aus Siliziumdrähten erzeugt werden. Exakt angeordnete

Polymerkügelchen auf der Oberfläche des Siliziums dienen

als Maske, durch die das Substrat mit Silber bedampft wird.

In den Zwischenräumen der Nanosphären bildet das abge-

schiedene Silber regelmäßige Strukturen auf der Oberfläche

der Siliziumschicht. Nach Entfernen der Polymerkügelchen

stehen sie als Katalysator für den Metall-gestützten Ätzpro-

zess zur Verfügung. Über die Kugelgeometrie lässt sich der

Abstand und Durchmesser der Siliziumnanodrähte einstellen.

Für beiden Varianten des Top-down-Verfahrens gilt: je

länger der Ätzprozess andauert, desto länger sind die ent-

stehenden Siliziumnanodrähte. Mit entsprechenden Proto-

kollen lassen sich Nanostrukturen mit Aspektverhältnissen

größer 100 herstellen, beispielsweise Arrays in denen die

Abstände zwischen einzelnen 26 µm langen Siliziumdräh-

ten nur etwa 200 nm betragen.

Eine Anwendung des nanostrukturierten Siliziums sind

innovative Hochleistungsbildsensoren. Mehr dazu lesen Sie

in unserer App.

Top-down: Metall-gestütztes nasschemisches Ätzen

Siliziumnanopartikel leuchten unter ultraviolettem Licht rot.

Einheitliche Drähte aus Silizium erzeugt durch Nanosphärenlithographie

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Träger

Träger

Die Silbernanopartikel werden anschließend aufgelöst. Zurück bleiben Siliziumnanodrähte.

Träger

Silizium

Silbernanopartikel

In einer Lösung aus Flusssäure und Silbernitrat bilden sich Silbernanopartikel

auf dem Silizium.

Träger

Silizium

Träger

Silizium

Träger

Ablösen der Nanopartikel

Bedampfen mit Silber

Metallgestützter Ätzprozess

Nach Entfernen des Silbers bleiben gleichmä-ßig angeordnete Siliziumnanodrähte zurück.

Träger

Silizium

Polystyrolnanopartikel

Träger

Silizium

Träger

Aufbringen einer einzelnen Lage Polystyrolnanopartikel

Träger

Silizium

Träger

Silizium

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Mikrostrukturierte optische Fasern

» Mikrostrukturierte Glasfasern besitzen aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigen-schaften großes Zukunftspotential für den Einsatz in Laser- und Verstärkeranwendungen sowie für sensoranalytische Aufgabenstellun-gen im Bereich der Biomedizin- und Umwelt-technik. Die Arbeitsgruppe Optische Fasertech-nologie verfügt zur Herstellung der optischen

Spezialfasern über die komplette Technologie-kette am Leibniz-IPHT. Neben verschiedenen Materialien und Materialzusammensetzun-gen, die die Anwendungsbereiche der opti-schen Fasern erweitern, erforscht das Team unterschiedliche Herstellungstechnologien, um Fasern mit spezifische Struktur- und Dotie-rungseigenschaften zu erzeugen. gende Ziehschritt überführt das lose Kapillargebilde dieser

Preform durch lokale Verschmelzungen in eine kompakte

Sekundärpreform, dem Cane. Bei diesem Ziehprozess lässt

sich mittels Unterdruck steuern, ob die Glaskapillaren in

der Preform nur punktuell oder flächig miteinander und mit

dem umgebenden Mantelrohr verschmelzen. Da sich die

damit möglichen Strukturvariationen im Cane auch auf die

finale Faserstruktur auswirken, ist der erste Ziehschritt ein

zusätzliches Mittel für die anwendungsorientierte Faser-

modifizierung. Die gewünschte Fasermikrostruktur entsteht

schließlich beim Verziehen des Cane zur Faser. Über die

Wahl der Druckbedingungen während des Ziehprozesses

ist eine weitere Modifizierung der Faserstruktur möglich.

Bei der „passiven“ Druckführung dehnt sich die Luft beim

Erhitzen in den Kapillaren des verschlossenen Cane aus.

Der dabei entstehende Druck innerhalb der Kapillaren

sorgt dafür, dass der Hohlraum während des Ziehschritts

erhalten bleibt. Bei der „aktiven“ Faserziehvariante führt

dagegen ein definierter Überdruck an den Kapillaren zur

Ausbildung der Hohlkerne in der Faser.

Die Herstellung von Fasern mit maßgeschneiderten Mikro-

und Nanostrukturen erfordert großes technologisches

Know-How und viele Ziehversuche.

Wie die Lichtführung in den Hohlkernfasern berechnet wird,

erfahren Sie in unserer App: „Analytische Formeln für die

Moden in Hohlkernfasern“

Grundlage für die maßgeschneiderten optischen Eigenschaf-

ten der mikrostrukturierten Fasern sind anwendungsbe-

stimmte Faserdesigns, die mit Hilfe numerischer Simulati-

onen konzipiert und entwickelt werden. Die technologische

Umsetzung der meist komplexen Faserstrukturen gelingt

in einem mehrstufigen Prozess. Hierbei wird zunächst eine

makrostrukturierte Vorform (Preform) gefertigt. Diese ent-

hält das prinzipielle Querschnittsdesign der späteren Faser

in mehrhundertfach vergößerter Dimension. Dieses Struktur-

muster wird in einem ersten Ziehschritt (Cane) fixiert und im

finalen Ziehprozess in die Mikrostrukturfaser überführt.

Mit dieser Technologie gelang es am Leibniz-IPHT erst-

mals mikrostrukturierte Fasern herzustellen, die sehr

kurzwelliges UV-Licht innerhalb eines definierten Hohlkerns

führen. Die definierte Beherrschung der Fasergeometrie

mittels spezifischer Drucksteuerung ist Voraussetzung

zum Erzielen simulationsnaher Designparameter. Solche

Fasern bilden die Grundlage neuer faseroptischer Sensoren

für bio- und umweltanalytische Fragestellungen. Voraus-

setzung für die Lichtführung sind luftgefüllte Hohlkerne,

also geometrisch geordnete Lochstrukturen mit einigen

Mikrometern Durchmesser. Sie werden von nanometerdün-

nen Glasstegen innerhalb der Faser gebildet. Die nanoska-

ligen Substrukturen im Faserquerschnitt entstehen indem

zunächst sehr dünnwandige, genau hergestellte Glaskapil-

laren in einem Glasmantelrohr entsprechend des Faserde-

signs zu Kapillarpackungen anordnet werden. Der nachfol-

Einstellung der Fasermikrostruktur durch defi-nierte Unter- und Überdruckregelung. Elektro-nenmikroskopische Aufnahme der Querschnitte von Hohlkernfasern gezogen mit aktiver (links) sowie passiver Druckführung (rechts).

Mikrofluidik

Das Labor der Zukunft auf einem Chip » Um die medizinische Versorgung der Bevöl-kerung weiter zu verbessern, soll das Labor der Zukunft in die Jackentasche passen und innerhalb weniger Minuten die Ergebnisse z. B. einer Blutuntersuchung liefern. Für eine schnelle Vor-Ort-Analytik und Diagnostik eignen sich besonders neue, Licht-basierte Detektionsverfahren. Die Mikrofluidik bietet vielfältige technologische Lösungen für die

Kombination moderner spektroskopischer und optischer Verfahren mit einer kompak-ten Chip-Plattform. Diese mikrofluidischen Lab-on-a-Chip Systeme (LOC) ergänzen schon heute zeit- und kostenaufwändige Routine-Laborverfahren und sichern die Vor-Ort- Analytik und Diagnostik unabhängig von einer speziellen Laborinfrastruktur.

Der Reinraum des Leibniz-IPHT bietet

ideale technologische Voraussetzungen

zur Herstellung der mikrofluidischen

Bauelemente mit Verfahren der Mikro-

systemtechnik. Zur Strukturierung der

Chipsubstrate aus Glas, Silizium oder

Quarzglas kommen Fotolithographie,

nass- und trockenchemische Ätzverfah-

ren sowie Beschichtungsverfahren wie

Sputtern zum Einsatz. Die winzigen

Kanäle und die Funktionselemente der

mikrofluidischen Chips entstehen je-

doch erst durch die exakte Verbindung

einer mikro- bzw. nanostrukturierten

Chipoberseite und -unterseite mit Hilfe

des anodischen Bondens. Hierbei bil-

det sich eine feste chemische Verbin-

dung zwischen beiden Hälften, die für

eine hohe Stabilität des fertigen Chips

sorgt. Die mikro- und nanotechnologi-

schen Prozesse ermöglichen variable

Kanalhöhen in einem Bereich von etwa

0,1 bis 300 Mikrometer in Glas und bis

zu 800 Mikrometer in einem Glas / Sili-

zium / Glas Drei-Lagen-Verbundsystem.

Mittels mehrstufiger Ätzverfahren

lassen sich Kanäle unterschiedlicher

Höhe realisieren, um beispielsweise

Tröpfchen in einer Öl-Wasser-Mischung

zu erzeugen. Die feinen Strukturen

von freistehenden Nanoporenarrays für

Nanosiebe entstehen mittels Elektro-

nenstrahllithographie.

Für die Bereitstellung als Einweg-

Mikrofluidiksysteme aus Polycarbonat

werden externe Dienstleister der DVD-

Massenfertigung in den Herstellungs-

prozess eingebunden. Das hierfür

vom DVD-Standard abgeleitete Format

der „Microfluidic-Laboratory-Disc“

bietet ausreichend Raum für komplexe

Screening-Anwendungen, die z. B.

bis zu 5000 einzelne Probentropfen

parallel erzeugen, prozessieren und

untersuchen. Die Geometriemaster

für diese Disks mit den erforderlichen

Mikrostrukturen entstehen im Rein-

raum des Leibniz-IPHT und dienen

als Urmatrize für die Herstellung der

Disk-Halbscheiben durch einen der

weltweit führenden Dienstleister der

DVD-Massenfertigung. Das nachfol-

gende justierte Verbonden von je zwei

mikrostrukturierten DVD-Halbscheiben

zu den finalen Mikrofluidiksystemen

erfolgt wieder im Reinraum des

Leibniz-IPHT. Dadurch reduzieren

sich die reinen Herstellungskosten für

die Einweg-Mikrofluidiksysteme auf

weniger als 100 Euro pro Bauelement.

Für die erfolgreiche Umsetzung von

Ideen aus Forschung und Industrie

bündelt das Leibniz-IPHT Kompeten-

zen auf den Gebieten der Mikrosys-

temtechnologie, Mikroströmungsme-

chanik, Photonik und Automatisierung.

Die Forscherinnen und Forscher nut-

zen einen effizienten Design-Ansatz,

um maßgeschneiderte, hochintegrierte

Mikrofluidiksysteme für sehr unter-

schiedliche Anwendungen liefern zu

können. Neben standardisierten Chip-

formaten und Fluidanschlusstechnik

kommen flexibel miteinander kombi-

nierbare mikrofluidische Funktionsele-

mente zum Einsatz. Dadurch können

komplexe Verfahrensabläufe auf einem

einzigen Chip ablaufen und dieser in

optische Messsysteme implemen-

tiert werden. Andererseits profitiert

das Chip-Design von der Software-

basierten Modellierung dieser

mikrofluidischen Netzwerke. Mit der

in-silico Modellierung gelingt es, das

Zusammenspiel der mikrofluidischen

Funktionselemente in Einphasenströ-

mungssystemen und tropfenbasierten

Systemen zu analysieren und visuali-

sieren, noch bevor der Chip hergestellt

ist. So werden mögliche Designfehler

im Vorfeld der Fertigung erkannt und

die gewünschte Funktionsweise des

Chips oft schon im ersten Entwick-

lungszyklus erreicht.

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Microfluidic-Laboratory-Disc

Was ist Mikrofluidik?

Kleine Flüssigkeitsmengen auf

engstem Raum gehorchen anderen

physikalischen Gesetzen als ma-

krofluidische Systeme. Ein großes

Oberfläche-zu-Volumen Verhältnis,

Kapillarkräfte und eine turbulenzarme

Strömung dominieren das Verhalten

der Fluide in Kanälen von wenigen

Mikrometern Durchmesser. Diese

Effekte werden gezielt genutzt um

z. B. zwei Flüssigkeiten in weniger

als einem Tausendstel einer Se-

kunde vollständig zu mischen. Für

andere Anwendungen werden durch

die gezielte Auswahl und fluidische

Verschaltung von Funktionselementen

in den Mikrokanälen Zellen aus einer

Zellsuspension vereinzelt, sortiert,

gedreht und anschließend mit optisch

spektroskopischen Verfahren analy-

siert – alles mit nur wenigen Tropfen

einer Probe in einem postkartengro-

ßen Chip (von 16 x 12.5 mm²).

Nanoplasmonik

Metallnanopartikel in allen Formen und Farben» Schon die Menschen im Altertum nutzten Nanopartikel aus Gold, um farbenprächtiges Glas für Trinkgefäße und Schmuck herzustel-len. Hervorgerufen wird die intensive Farbe durch Wechselwirkung der metallischen Nanostrukturen mit einfallendem Licht, das im Metall kohärente Schwingungen der Leitungsbandelektronen anregt. Da die Re-sonanzfrequenz dieser Plasmonen meist im sichtbaren Spektralbereich liegt, absor bieren und streuen die Teilchen je nach Größe, Form, Material und Umgebung verschiede-

ne Wellenlängen des Lichts und besitzen daher die unterschiedlichsten Farben. Mit maßgeschneiderten metallischen Nanopar-tikeln können Wissenschaftler und Wissen-schaftlerinnen heute die Wechselwirkung mit Licht und die Position der lokalisierten Oberflächenplasmonen genau kontrollieren. Als optische Markierung für Biomoleküle, Signalwandler in der Sensorik oder optische Antennen eignen sich die plasmonisch akti-ven Nanopartikel hervorragend zur Lösung bioanalytischer Fragestellungen.

Am Leibniz-IPHT werden daher Nano-

strukturen aus Gold, Silber, Platin oder

Palladium nanotechnologisch in einem

bottom-up Ansatz hergestellt. Bei

diesem in der Regel mehrstufigen

Prozess setzt ein Reduktions-

mittel zunächst Metallionen

in einer Lösung zu ele-

mentaren Metallclustern

um. Diese aggregieren

zu etwa drei bis vier

Nanometer großen

Kristallkeimen - die

Seeds. Im darauffol-

genden Schritt wach-

sen die Kristallkeime

in Anwesenheit eines

schwächeren Redukti-

onsmittels und Metallsalz

zu Nanopartikeln unter-

schiedlicher Form und Größe

heran. Durch forciertes Wachstum

einer oder mehrerer Facetten des Kris-

tallkeims, lassen sich neben den ener-

getisch favorisierten kugelförmigen

Partikeln auch nanoskalige Prismen,

Würfel, Stäbchen und Sterne erzeu-

gen. Deren anisotrope Form verstärkt

das plasmonische Feld an bestimmten

Punkten der Partikeloberfläche. Erst

dieses Feld ermöglicht die hochemp-

findliche Detektion kleinster Brech-

zahlunterschiede – die Grundlage der

häufigsten sensorischen Anwend ungen

der plasmonischen Nanopartikel.

Üblicherweise werden die plasmo-

nisch aktiven Nanostrukturen in einem

Batch-Ansatz, also einem Reaktions-

gefäß, erzeugt. Komplexe forman-

isotrope Strukturen wie Nanowürfel

oder -prismen in hoher Ausbeute und

Qualität lassen sich jedoch effizienter

in mikrofluidischen Reaktoren syn-

thetisieren. In ihnen lassen sich die

Kristallkeimbildung und -wachstum,

die sehr unterschiedliche Reaktionski-

netiken besitzen und daher räumlich

und zeitlich voneinander getrennt

stattfinden sollten, gezielt mani-

pulieren. Da für jede Reaktion

die optimalen Parameter

eingestellt und exakt ge-

steuert werden können,

entstehen reproduzier-

bare Partikel mit sehr

einheitlicher Form

und Größe. Beson-

ders beim kritischen

Schritt der Kristall-

keimbildung sorgen

die kurzen Diffusions-

längen und die damit

einhergehenden hohen

Mischraten in den kleinen

Kanälen des mikrofluidischen

Reaktors für die notwendige

effiziente und homogene Vermischung

der chemischen Substanzen.

Mehr zur Synthese plasmoni-

scher Nanopartikel erfahren Sie

in unserer App: „Mikro trifft Nano:

Effizienzsteigerung der Synthese

von formanisotropen Nanopartikeln

durch Verwendung mikrofluidischer

Bauelemente“

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TERS

Spitzenbilder aus der Nanowelt

» Einzelne Viren, Proteine, DNS-Stränge oder winzige Sprengstoffkristalle: Die Untersu-chungsobjekte der Gruppe um Prof. Volker Deckert sind nur wenige Hunderttausendstel eines Millimeters groß. Die klassische Mikro-skopie stößt bei der Abbildung solch kleiner Strukturen an ihre Auflösungsgrenze. Um dennoch strukturelle und chemische Infor-mationen über die nanoskaligen Objekte zu erhalten, kombiniert die Nanoskopie die hoch-aufgelöste Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy – AFM) mit der Raman-

Spektroskopie. Bei der Tip-enhanced Raman-Spektroskopie (TERS) fokussiert ein Laser auf eine mit Silbernanopartikeln beschichtete AFM-Spitze, die die Probe abtastet. Die AFM-Spitze verstärkt das Raman-gestreute Licht der Probe, das dann mit einem Mikroskopob-jektiv gesammelt und nachfolgend abgebildet wird. Das Verfahren liefert eine Ortsauflö-sung von etwa einem Nanometer und besitzt eine Empfindlichkeit, die die Charakterisie-rung einzelner Moleküle erlaubt.

Von zentraler Bedeutung für die TERS-

Untersuchungen ist die zuverlässige

und reproduzierbare Herstellung der

Spitzen, die die Probe abtasten. Die

Struktur, Größe und Anordnung der Sil-

bernanopartikel an der Spitze entschei-

den über die Ortsauflösung und in wel-

chem Maß das Raman-Signal der Probe

verstärkt wird. Die Forscherinnen und

Forscher des Leibniz-IPHT verwenden

ein sogenanntes Aufdampf-Verfahren,

um kleinste Silberpartikel auf der AFM-

Spitze aus Silizium abzuscheiden. In

einer Vakuumkammer verdampft dazu

eine kleine Menge Silber unter der

AFM-Spitze. Der Silberdampf konden-

siert an der kühleren Spitze und bildet

Partikel mit einem Durchmesser von 20

bis 40 Nanometern. Im Unterschied zu

gleichmäßig mit Silber beschichteten

AFM-Spitzen, erzeugt die große Rauig-

keit der Nanopartikel-funktionalisierten

Spitzen ein besseres Signal-Rausch-

Verhältnis und damit eine große

Nachweisempfindlichkeit. Der geringe

Durchmesser der Silbernanopartikel

sorgt für eine der weltweit besten

lateralen Auflösungen, die mit dieser

Methode erreicht werden können.

Ebenso wie die Spitzen beeinflussen

die Träger auf denen sich die Proben

befinden die Qualität der Raman-

Spektren. Damit die nanoskaligen

Objekte und Strukturen überhaupt

untersucht werden können, müssen

unerwünschte Wechselwirkungen

zwischen Träger und Probe vermie-

den werden. Idealerweise besitzen

die Träger dazu eine atomar glatte

Oberfläche. Hier haben sich flache

Einkristalle aus Gold als geeignetes

Trägermaterial erwiesen. In einem

nasschemischen Verfahren erzeu-

gen die Wissenschaftlerinnen und

Wissenschaftler 20 bis 30 Nanometer

dünne, transparente Goldkristalle mit

einer atomar glatten Oberfläche, die

auf auf jedem üblichen Untergrund

wie Glas oder Silizium fixiert werden

können. Bei ihrem Einsatz offenbaren

die Goldkristalle Erstaunliches: sie

verstärken zusätzlich das Raman-

Signal und erhöhen gleichzeitig die

laterale Auflösung.

Dank der Nanotechnologie erhält

Volker Deckert immer detailliertere

Bilder aus der Welt der Atome und

Mole küle, um bislang unerforschte

Prozesse und Phänomene auf der

Nanometerskala aufzuklären.

Mit Silbernanopartikeln beschichtete TERS-Spitzen.

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Das neue bildgebende Spektrometer nutzt das seit langem

in der Fluoreszenzmikroskopie bekannte Konzept der Licht-

blattmikroskopie. Licht lässt sich zu einem dünnen Blatt,

der Lichtschicht, formen. Die Lichtschicht beleuchtet gezielt

eine einzelne Ebene in der dreidimensionalen Probe, die

dann spektral analysiert werden kann. Die Herausforderung

dabei ist, die Spektralinformation hochauflösend in jedem

Bildpunkt zu erfassen, um so ein komplettes Bild z. B. mit

einer Millionen Bildpunkten in der beleuchtenden Ebene

multispektral aufzunehmen. Ein bekanntes Verfahren, dass

sich gleichzeitig auf alle Bildpunkte anwenden lässt, ist die

interferometrische Bildgebung. Hierbei wird das Raman-

gestreute Licht durch einen Strahlteiler in zwei Teile ge-

teilt, entlang zweier unterschiedlich langer Wege geschickt

und am Detektor wieder vereinigt. Wenn sich die vorher

aufgespaltenen Lichtwellen wieder überlagern entsteht

ein Interferenzsignal aus dem sich dann das Spektrum

errechnen lässt.

Lichtmikroskopie

Mit Lichtblättern und Katzenaugen zu hochaufgelösten Multispektralbildern

» Die genaue Kenntnis der biochemischen Zusammensetzung von Organismen, Gewebe-proben und Zellen ist eine wichtige Voraus-setzung für die medizinische Diagnostik und für die Grundlagenforschung in den Lebens-wissenschaften. Moderne Licht-basierte und färbefreie Methoden wie die Raman-Spekt-roskopie nutzen molekulare Schwingungen, um Informationen über die chemische Zu-sammensetzung einer Probe zu erhalten. Die multispektrale Analyse des Raman-gestreuten Lichts ermöglicht die hochauflösende Abbil-dung der molekularen Verbindungen und

damit der Probenzusammensetzung. Die üblichen konfokalen Raman-Bildgebungsver-fahren tasten die Probe nur punktweise ab, was für viele Anwendungen zu zeitaufwändig ist. Ein fundamental neues Verfahren der multispektralen Raman-Bildgebung kombi-niert eine seitliche Lichtschichtbeleuchtung mit einem neuartigen katzenaugen-interfero-metrischen Ansatz, um hochaufgelöste Spekt-ralinformation in mehreren Millionen Bild-punkten gleichzeitig zu erhalten. Die Methode ermöglicht die multispektrale Bildgebung mit bisher unerreichter Geschwindigkeit.

Kopf einer Fruchtfliege aufgenommen mit einem Lichtblattfluoreszenzmikroskop (Ulrich Leischner in Zusammenarbeit mit J. Ribak)

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Kopf einer Bodenlaus aufgenommen mit einem Lichtblattfluoreszenzmikroskop (Ulrich Leichschner in Zusammenarbeit mit Prof. Beutel)

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» Mit der selektiven Lichtschichtbe-

leuchtung und gleichzeitiger interfero-

metrischer Detektion gelingt es Bilder

mit vier Millionen Bildpunkten in weni-

ger als 20 Minuten aufzunehmen. Eine

im Vergleich zum punktweise abtas-

tenden Raman-Mikrospektrometer um

Größenordnungen höhere Geschwin-

digkeit, mit großem wissenschaftli-

chem und diagnostischem Potential.

Ein eindrucksvolles Beispiel ist die

dreidimensionale multispektrale

Raman-Bildgebung eines Zebrafisch-

auges. Die Analyse der Verteilung von

Proteinen, Lipiden und DNA in der

Probe erfolgte in kurzer Zeit und weit-

gehend ohne Probenpräparation.

» Die Raman-Bildgebung fordert

vom eingesetzten Spektrometer eine

sehr hohe spektrale Trennschärfe.

Das bedingt nach diesem interferenz-

spektroskopischen Prinzip eine große

und präzise Veränderung der opti-

schen Weglänge. Dazu müssten sich

die Spiegel im Interferometer über

Millimeterdistanzen torsions- und wa-

ckelfrei mit Nanometerpräzision ver-

schieben lassen. Denn selbst kleinstes

Wackeln eines Spiegels würde sofort

zum Verlust der Interferenzfähig-

keit im Bildpunkt führen. Die IPHT-

Forscherinnen und Forscher machen

sich daher ein ganz anderes optisches

Prinzip zu Nutze: Das Prinzip des

Katzenauges, das zum Beispiel in

Rücklichtern Anwendung findet. Eine

„Ecke“ aus drei zueinander senkrecht

stehenden Spiegeln wirft Licht immer

genau in die Richtung zurück aus der

es auf diesen Eckenspiegel einfällt.

Durch Nutzung zweier solcher Katzen-

augenreflektoren ist eine unerreichbar

präzise Führung der Spiegel nicht

mehr nötig, da ein Wackeln nun keine

optische Auswirkung mehr auf die

Interferenzfähigkeit hat.

LSRM hyperspektrale 3D Aufnahme eines 3 Tage alten fixierten Zebrafischembryos

Schematischer Aufbau der durchgeführten multispektralen Raman Bildgebung.

Raman-Bildgebung in Rekordgeschwindigkeit

Das Katzenaugenprinzip

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Probenkammer

Wissenschaftliche Beiträge in der App

Bauer // Popp // Neugebauer

Diagnostik mit Hilfe von Plasmonik

Hyperspektrale Bildgebung von

Plasmonenresonanzen für die Bio­

analytik // Zopf // Jatschka // Dathe

// Jahr // Fritzsche // Stranik

Mikro trifft Nano: Effizienzsteige­

rung der Synthese von formaniso­

tropen Nanopartikeln durch Verwen­

dung mikrofluidischer Bauelemente

// Thiele // Csáki // Müller // Henkel //

Stranik // Fritzsche

Leistungsfähige TopUp­Nanostruk­

turen für die oberflächenverstärkte

Molekülspektroskopie // Hübner //

Patze // Cialla-May // Weber // Popp

Entwicklung von Lebensmittel­

analyse­Anwendungen basierend

auf oberflächenverstärkter Raman­

Spektroskopie // Radu // Ryabchykov

// Bocklitz // Huebner // Weber //

Cialla-May // Popp

Empfindlicher und spezifischer

Nachweis von Medikamenten für

Anwendungen in der forensischen

und therapeutischen Arzneimittel­

überwachung // Jahn // Yüksel //

Jahn // Henkel // Weber // Pletz //

Bocklitz // Cialla-May // Popp

SERS­basierter Nachweis und Iden­

tifizierung von Mykobakterien //

Mühlig // Stöckel // Bocklitz // Weber

// Cialla-May // Popp

Neue analytische Werkzeuge

Hydrogele als Reaktionsmatrix für

die Nukleinsäureanalytik // Cialla-

May // Beyer // Popp

Becker // Rothhardt // Bartelt // Jäger

Hochtemperaturstabile Faser­Bragg­

Gitter // Elsmann // Habisreuther //

Schmidt // Graf // Rothhardt // Bartelt

Faser­Bragg­Gitter in optischen

Mehrkernfasern // Lorenz // Be-

cker // Elsmann, // Latka // Jäger //

Rothhardt // Bartelt

Faseroptische Sensorik mit FBG an

Bahn­Stromabnehmern // Schröder

// Ecke // Höfer // Rothhardt

Photonische Detektion

Der Forschungsschwerpunkt Photo­

nische Detektion erforscht und nutzt

Licht-Materie-Wechselwirkungen zur

Realisierung innovativer Sensor- und

Detektorkonzepte höchster Emp-

findlichkeit, Präzision und Spezifität.

Hierzu gehören Technologieforschung

auf dem Gebiet der Mikro- und Nano-

technologien, sensornahe Aufbau- und

Verbindungstechnologien sowie Multi-

plex- und Ausleseschaltungen und die

Integration der untersuchten mole-

kularen und Festkörper-Komponenten

in spektroskopische und bildgebende

photonische Instrumente.

Unkonventionelle Lichter-zeugung für biophotonische Anwendungen

Superkonzentration von Licht durch

optische Photonenzuweisung //

Roth // Heintzmann

Elektrisch angeregte Plasmonen­

resonanzen in Hybridnanostruktu­

ren // Dathe // Ziegler // Hübner //

Fritzsche // Stranik

Faserverstärkte Raman­spektros­

kopische Analyse zur Diagnose und

Überwachung von Anämien // Yan //

Domes // Frosch // Popp

Analytische Formeln für die Moden in

Hohlkernfasern // Zeisberger // Schmidt

Charakterisierung von Medika-menten und deren Freisetzung

Photoinduzierte Dynamik in einem

niedermolekularen Modellkomplex in

einer zellulären Umgebung // de la Ca-

dena // Reichardt, // Wächtler // Dietzek

Wirkstofffreisetzung und Untersu­

chungen zur Partikelbeweglichkeit

in magnetischen Biokompositen //

Müller // Dellith

Chemometrik

Gewebediagnostik des Gastroin­

testinaltrakts mittels multimodaler

Bildgebung und bildanalytischen

Verfahren // Bocklitz // Chernavskaia

// Bekele Legesse // Meyer // Heuke

// Vogler // Schmitt // Stallmach //

Vieth // Petersen // Waldner // Popp

Faseroptik

Der Forschungsschwerpunkt Faser­

optik widmet sich den Ausbreitungs-

eigenschaften und der effizienten und

flexiblen Steuerung faser- und planar-

geführten Lichts. Dies umfasst Tech-

nologie- und Grundlagenforschung

zum Verständnis der Lichtausbreitung

in Faserwellenleitersystemen und zur

Realisierung neuartiger Fasermodu-

le und -systeme. Der Schwerpunkt

erforscht neuartige mikrostrukturier-

te und funktionalisierte Fasern für

sensorische Fragestellungen in der

Lasing durch Interferenz an einem

stark getriebenen künstlichen Atom

// Oelsner // Hübner // Il’ichev

Sensoren und Sensorsysteme

Gemeinsamer Europäischer Ferti­

gungsprozess für Ausleseschaltun­

gen photonischer Multipixelsensor­

systeme // Brandel // Kunert

Dioden­Array mit Kern­Schale­Auf­

bau für innovative Hochleistungs­

bildsensoren und Partikeldetektoren

// Jia // Plentz // Andrä // Hübner //

Dellith // Stolz

Einzelphotonendetektor im Mikro­

wellenbereich // Hübner // Schmalz

// Anders // Oelsner // Il’ichev

Entwicklung von NbSi­Kontakten

für gekühlte Detektoren // Anders //

Knipper // Schubert // Peiselt // Franke

Eigenschaften nanometerdünner

Niobnitridschichten für ultraschnelle

Einzelphotondetektion // Linzen //

Toussaint // Ziegler

Unterdrückung der Spin­Austausch­

Relaxation in Magnetfeldern beliebi­

ger Orientierung der Stärke des Erd­

magnetfeldes // Scholtes // Pustelny //

Fritzsche // Schultze // Stolz // Meyer

Erweitertes Blickfeld – Anwendungen von IPHT- Sensoren

Magnetische Prospektion als Grund­

lage innovativer Inversionsverfah­

ren zur Analyse hochauflösender

Daten // Schneider // Schiffler //

Chwala // Linzen // Stolz

Biophotonik

Der Forschungsschwerpunkt Bio­

photonik erforscht und realisiert unter

Einbindung der Technologieforschung

der Faseroptik und Photonischen

Detektion innovative photonische

Verfahren und Werkzeuge für die

Molekülspektroskopie und hyperspek-

trale Bildgebung, die hochauflösende

Lichtmikroskopie sowie die faser-,

chip- und nanopartikelbasierte Analy-

tik und Diagnostik höchster Spezifität,

Sensitivität und Auflösung.

Spektroskopische Charakteri-sierung und Klassifizierung einzelner Zellen

Identifizierung von Pseudo­

monas spp. mittels Raman­

Mikrospektroskopie und Pyoverdin //

Pahlow // Weber // Cialla-May // Popp

Den Algen beim Wachsen zuschau­

en – Raman­ und FT­IR­Spektros­

kopie zur Untersuchung von Diato­

meen // Rüger // Unger // Schie //

Brunner // Popp // Krafft

Raman­basierte Differenzierung von

Einzelzellen in einem Mikrofluidik­

chip bei kontinuierlichem Fluss //

Krafft // Freitag // Beleites // Dochow

// Clement // Popp

Schnelle Raman­spektroskopische

Analyse eukaryotischer Zellen

– Kombination von Integrierter

Raman­Spektroskopie (IRS)

und Low­Resolution Raman­

Spektroskopie (LRRS) // Schie //

Kiselev // Krafft // Popp

Lebergesundheit: Raman­Daten als

potenzielle Biomarker auf Gewebe­

und Einzelzellebene // Galler //

Biophotonik sowie nichtlineare und

Laser-basierte Faserlichtquellen.

Fasertechnologie

Demonstration eines komplett ape­

riodischen Large­Pitch­Faserlasers

mit homogenem Yb­dotierten Kern

// Schuster // Dauliat // Benoit // Dar-

wich // Jamier // Kobelke // Bierlich //

Grimm // Roy

Der Phosphoreinbau in den ver­

schiedenen Stufen des MCVD­

Verfahrens in Kombination mit

der Lösungsdotierung // Lindner //

Unger // Aichele // Dellith // Scheffel

// Kriltz // Schuster // Bartelt

Verhinderung von Photodarkening in

Ytterbium/Aluminium­Fasern durch

Cer­Kodotierung // Jetschke // Unger

// Schwuchow // Leich // Jäger

Nicht-lineare Nanooptik in Fasern

Silber­Nanopartikel beschichteter

Lichtleitfaser­Taper als brechzah­

lempfindliches Sensorelement //

Wieduwilt // Schmidt

Theorie eines plasmonischen Kopp­

lers und Superfokussierung // Tuniz

// Schmidt

Hochgradig nichtlineare Fasern aus

ungiftigem Silbermetaphosphat­

Glas // Chemnitz // Wei // Jain //

Rodrigues // Wieduwilt // Wondraczek

// Schmidt

Faser-Bragg-Gitter

Wellenlängenabstimmbarer Faserla­

ser mit nachgeschaltetem Verstärker

für Anwendungen bei 2 μm // Tieß //

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Das Leibniz-IPHT auf einen Blick – Kennzahlen aus 2016

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18 Patentanmeldungen,10 davon prioritätsbegründend,2 davon Patenterteilungen

13 EU-finanzierte Projekte, 5 davon durch IPHT koordiniert

71Invited Talks

355 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

23 Anzahl der Promotionen,13 davon Frauen

218 Anzahl der Publikationnen in referierten Journalen

1 Habilitation

166 aktive Teilnahme an Konferenzen

3.092.526 € Industrieprojekte

=

1.786.715 € EU-Drittmittel, davon ERA-NET / ERA-Net Plus, JPI, Eurostars 720.187 Euro

6.984.528 € Nationale Projekte, davon DFG-Mittel 1.213.936 Euro

11.863.769 € Drittmittel gesamt

22.663.800 € Gesamtbudget

52,35 % Drittmittelquote

Wissenschaftlicher Beirat

Sprecher

Prof. Dr. Cornelia Denz // Westfälische Wilhelms-Universität Münster

Mitglieder

Prof. Dr. Heike Ebendorff-Heidepriem // University of Adelaide, Australien

Eugen Ermantraut // BLINK GmbH, Jena

Prof. Dr. Heinz-Wilhelm Hübers // Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Berlin

Prof. Dr. Werner Mäntele // Johann-Wolfgang-Goethe-Universität Frankfurt

Prof. Dr. Monika Ritsch-Marte // Universität Innsbruck, Österreich

Prof. Dr. Christian Spielmann // Friedrich-Schiller-Universität Jena

2015 ausgeschieden

Prof. Dr. Wolfgang Kiefer // Universität Würzburg

Prof. Dr. Wolfgang Mehr // IHP, Frankfurt / Oder

Prof. Dr. Bernd Rech // Helmholtz-Zentrum Berlin & TU Berlin

Prof. Dr. Theo Tschudi // Bern, Schweiz

Kuratorium

Vorsitzender

Dr. Bernd Ebersold // Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft, Erfurt

Mitglieder:

Dr. Hans Eggers // Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn

Prof. Dr. Thorsten Heinzel // Friedrich-Schiller-Universität Jena

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Organigramm

Forschungseinheiten

Kuratorium

Dr. Bernd Ebersold //

Vorsitzender

Spektroskopie / Bildgebung

Prof. Dr. Jürgen Popp

Faseroptik

Prof. Dr. Hartmut Bartelt

Fasersensorik

Prof. Dr. Markus Schmidt

Magnetometrie

Dr. Ronny Stolz

Klinisch-Spektroskopische Diagnostik

Prof. Dr. Ute Neugebauer

Nanooptik

Prof. Dr. Jer­Shing Huang

Nanobiophotonik

PD. Dr. Wolfgang Fritzsche

Funktionale Grenzflächen

Prof. Dr. Benjamin Dietzek

Quantendetektion

Prof. Dr. Hans­Georg Meyer

Nanoskopie

Prof. Dr. Volker Deckert

Mikroskopie

Prof. Dr. Rainer Heintzmann

Vorstandsreferenten

Dr. Roland Mattheis //

Vorstandsreferent

Susanne Hellwage //

Persönliche Referentin des

Wissenschaftlichen Direktors

Forschungsstrategie und -kommunikation

Prof. Dr. Benjamin Dietzek //

Strategische F & E-Planung

Daniel Siegesmund //

Öffentlichkeitsarbeit und

Forschungsmarketing

Vorstand

Prof. Dr. Jürgen Popp //

Vorsitzender und Wiss. Direktor

Frank Sondermann //

Administrativer Direktor

Prof. Dr. Hartmut Bartelt //

Stellvertretender Wiss. Direktor

Wissenschaftlicher Beirat

Prof. Dr. Cornelia Denz //

Sprecherin

Verwaltung, Betriebstechnik

Frank Sondermann // Leiter

Wissenschaftliche Koordination

Dr. Ivonne Bieber //

Projektmanagement und

Patentwesen

Personalvertretung

Dr. Gudrun Andrä //

Vorsitzende des Betriebsrates

Manuela Meuters //

Gleichstellungsbeauftragte

Mitgliederversammlung

Abteilungen Gruppen

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Vereinsmitglieder

Institutionelle Mitglieder

Ernst-Abbe-Hochschule // vertreten durch die Rektorin Prof. Dr. Gabriele Beibst

4H Jena Engineering GmbH // vertreten durch Michael Boer

Sparkasse Jena // vertreten durch Erhard Bückemeier

CiS Institut für Mikrosensorik e. V., Erfurt // vertreten durch Dr. Hans-Joachim Freitag

TÜV Thüringen e. V., Erfurt // vertreten durch Volker Höhnisch

j-fiber GmbH, Jena // vertreten durch Dr. Ulrich Lossen

Robert Bosch GmbH, Stuttgart // vertreten durch Dr. Achim Moritz

Friedrich-Schiller-Universität Jena // vertreten durch Dr. Jörg Neumann

Stadt Jena // vertreten durch den Oberbürgermeister Dr. Albrecht Schröter

Leibniz-Institut für Festkörper-und Werkstoffforschung e. V., Dresden // vertreten durch Prof. Dr. Ludwig Schultz

Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft, Erfurt // vertreten durch Dr. Ute Zopf

Persönliche Mitglieder

Prof. Dr. Hartmut Bartelt // Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V., Jena

Dr. Frank Ehrhardt // Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft, Erfurt

Dr. Klaus Fischer // Jena

Elke Harjes-Ecker // Thüringer Staatskanzlei, Erfurt

Prof. Dr. Hans Eckhardt Hoenig // Erlangen

Bernd Krekel // Commerzbank AG, Jena

Prof. Dr. Jürgen Popp // Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V., Jena

Frank Sondermann // Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V., Jena

Prof. Dr. Herbert Stafast // Jena

Finanzen des Institutes 2016

in T Euro

Institutionelle Förderung (Freistaat Thüringen, Bund) 10.800,0

Drittmittel 11.863,8

22.663,8

Institutionelle Förderung: Verwendung

Personalmittel 6.558,0

Sachmittel 3.024,8

Investitionsmittel 1.217,2

10.800,0

Drittmittel

Bund 3.443,1

davon für Projekte finanziert von der Leibniz-Gemeinschaft 200,7 T€

DFG 1.213,9

(Zusätzlich haben IPHT Wissenschaftler an der Universität Jena DFG-Mittel in Höhe von 130,3 T€ verausgabt)

Freistaat Thüringen 2.173,8

davon für Umstrukturierung im Rahmen EFRE 1.216,8 T€

(Zusätzlich wurden von 2014 bis 2016 Mittel für die ACP-FIB Anlage in Höhe von 424,8 T€

eingeworben (Mittelbereitstellung über FSU))

EU 1.786,7

davon für EU-Maßnahmen wie ERA-Net / ERA-NetPlus, Joint Programming Initiativen u. a. 720,2 T€

Aufträge öffentlicher Einrichtungen 214,2

Sonstige Zuwendungsgeber 153,7

Unteraufträge in Verbundprojekten 223,7

FuE Aufträge inkl. wissenschaftlich-technische Leistungen 2.654,7

11.863,8

Impressum

Herausgeber:Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.

Standort:Albert-Einstein-Str. 9, 07745 Jena

Postanschrift:PF 100 239, 07702 Jena

Telefon | Telefax:00 49 3641 206 00 | 0049 3641 206 399

Redaktion:Daniel Siegesmund, Dr. Anja Schulz, Britta Opfer (Leibniz-IPHT)

Layout:Katrin Uhlig (Leibniz-IPHT)

Bilder:Sven Döring _Agentur Focus, Hamburg, Leibniz-IPHT Jena

Druck:Grafisches Centrum Cuno GmbH und Co KG, Calbe (Saale)

© Leibniz-IPHT Jena _03.2017

www.leibniz­ipht.de

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Personal des Institutes 2016

institutionelle Drittmittel- Professoren Summe Personen Förderung förderung

Wissenschaftler 37,37 57,34 5,50 100,21 109

Gastwissenschaftler** - - - - 23

Extern finanzierte Wissenschaftler* - - - - 17

Extern finanzierte Mitarbeiter* - - - - 2

Extern finanzierte Doktoranden* - - - - 46

Geringfügig Beschäftigte - - - - 8

Doktoranden 4,50 24,03 - 28,53 48

Studenten / Praktikanten - - - - 50

Technisches Personal 35,13 38,08 - 73,21 78

Kaufmännisches Personal 12,97 3,71 - 16,68 18

Wissenschaftliche Koordination 2,00 2,00 - 4,00 4

ÖA und Forschungsmarketing 2,88 5,00 - 7,88 8

Vorstand 1,00 0,00 0,50 1,50 2

Auszubildende 0,00 - - 0,00 0

Gesamtpersonal 95,85 130,16 6,00 232,01 355

*Mitarbeiter, die nicht über die Entgeltabrechnung des IPHT vergütet werden bzw. von einer anderen Institution (z. B. FSU) finanziert werden, aber ihren Arbeitsschwerpunkt am IPHT haben

**Wissenschaftler, die im Kalenderjahr 2016 bisher länger als einen Monat am IPHT tätig waren und von einer anderen Institution finanziert wurden. Keine Anwendung der Stichtagsregelung 31.12.

Leibniz­Institut für Photonische Technologien e. V.

Standort:

Albert-Einstein-Str. 9

07745 Jena

Postanschrift:

PF 100 239

07702 Jena

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