Nanodevices for mid-infrared single molecule spectroscopy

Mit Hilfe optischer Messungen können Schadstoffe in der Luft, wie CO 2 , CO, NO, Ozon und viele weitere eindeutig nachgewiesen und identifiziert werden, da diese im Absorptionsspektrum spezifische Linien hinterlassen, die für sie so charakteristisch sind wie ein Fingerabdruck. Für derartige Messungen benötigt man eine Lichtquelle und einen Detektor, der die von der Athmosphäre abgeschwächte Intensität registriert. Im mittleren Infrarot- Bereich, also bei Wellenlängen von 3 -30 m, ist die Nachweisempfindlichkeit um Größenordnungen höher, als bei Messungen im sichtbaren Spektralbereich oder im nahen Infrarot. Verwendet werden solche Spektrometer z. B. in der Automobilindustrie zur schnellen Analyse der Abgase von Verbrennungsmotoren. Trotz der hohen Empfindlichkeit der derzeit gebräuchlichen Blei-Salz-Laserspektrometer können damit keine einzelnen Moleküle erfasst werden, was aufgrund der geringen Molekülgröße einsichtig ist: So verhält sich die Größe der Moleküle im Vergleich zu einem Fußball ähnlich wie ein Fußball zur Erdkugel. In mehreren naturwissenschaftlichen Gebieten der Grundlagen- und der angewandten Forschung, wie Physik, Chemie und Biologie, konnten aus der Spektroskopie an einzelnen Molekülen aber wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden. Die in den letzten Jahren entwickelten Verfahren benutzen atomare Kräfte oder Tunnelströme zwischen der Spitze einer Nadel und der zu untersuchenden Probenoberfläche. Für einige wenige Moleküle, die im sichtbaren Spektralbereich stark leuchten, können auch Lumineszenzmessungen zur Untersuchung einzelner Moleküle herangezogen werden. In diesem Projekt sollen neue Bauelemente entwickelt werden, die es erlauben, mit Hilfe von optischer Spektroskopie im Bereich des mittleren Infraroten auch einzelne Moleküle zu untersuchen. Das ist vor allem deshalb interessant, weil damit sehr viele verschiedene Moleküle für die Einzelmolekülspektroskopie zugänglich gemacht werden. Da sich einzelne Moleküle in der Luft oder in anderen Gasen schnell bewegen, muss ein System mit sehr hoher Empfindlichkeit entwickelt werden, das erlaubt sehr schnell optische Messungen durchzuführen. Darüber hinaus muss aufgrund der geringen Molekülgröße eine äußerst hohe Ortsauflösung erzielt werden. Um diese Vorgaben zu erreichen, sollen nun Blei-Salz-Laser, Probenkammer und Detektor miniaturisiert und auf einem Chip integriert werden. In diesem Mini-Laserspektrometer werden die zu messenden Testmoleküle direkt in den Resonator des Blei-Salz Lasers eingebracht, wo das zum Nachweis verwendete Licht nahezu 1000fach verstärkt wird. Dadurch wird eine besonders hohe Nachweisempfindlichkeit erreicht. Die Größe des miniaturisierten Blei-Salz-Laserresonators von ca. 100 nm entspricht in etwa dem mittleren Abstand zwischen den Molekülen, sodass sich nur ein einziges Molekül in dem optischen Resonator befindet. Deshalb eignet sich dieses Verfahren besonders gut, um Einzelmoleküle nachzuweisen. Um die hohe geforderte Schnelligkeit zu erreichen, werden die Blei-Salz-Laser mit kurzen optischen Pulsen, die von einem weiteren Laser geliefert werden, betrieben. Zusätzlich zu den Einzelmolekülspektrometern sollen ähnlich aufgebaute Messsysteme mit etwas größeren Abmessungen entwickelt werden, die als kompakte und empfindliche Nachweissysteme für die Schadstoffanalyse und für Messungen technisch relevanter Gase breite Anwendungen finden können.

Das Ziel dieses Projektes war die Entwicklung von neuen Nano-Materialien und von neuen elektronischen Bauelementen basierend auf diesen Materialien, die im infraroten Spektralbereich aktiv sind. Vor allem sollten neuartige Lichtquellen und Lichtdetektoren entwickelt werden um diese in integrierten Messsystemen zu sensiblen Detektionssystemen zu kombinieren. Solche integrierten Bauelemente können unter anderem zum Aufspüren von bestimmten Molekülen in Gasgemischen herangezogen werden, was in der Umweltanalytik, der Klimaforschung, in der medizinischer Diagnostik und weiters in der (Auto)Abgasanalytik und der Fertigungstechnik gebraucht wird. So wurde im Rahmen des Projektes unter anderem in einer Zusammenarbeit mit der Forschungsabteilung von Siemens Erlangen eine Infrarotkamera entwickelt und vorgestellt, die als photosensitives Material eine Mischung verschiedener organischer und inorganischer Halbleiter verwendet, die aus Lösungen prozessiert werden können. Dementsprechend ist die Kamera im Vergleich zu herkömmlichen Infrarotkameras weitaus billiger herzustellen. Das Material, das die Kamera sensitiv für das Infrarote macht, sind die von uns hergestellten kolloidalen Nanokristalle aus Bleisulfid. Diese Photodioden, die jeweils die Pixel der Kamera bilden sind nicht nur einfach herzustellen, sondern sie haben auch hervorragende Charakteristika in Bezug auf deren Gleichrichtung, Quanteneffizienz und Lebensdauer. Außerdem ist deren Funktionsweise neuartig, weil die für den Lichtnachweis notwendige Ladungstrennung in einem Gemisch aus drei Komponenten bewerkstelligt wird. Solche Kameras könnten in nächster Zukunft auch in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, wo sie bei Nacht oder bei schlechtem Wetter dem Fahrer assistieren in dem sie für eine bessere Sicht sorgen. Neben den infrarot Kameras, wurden auch Halbleiterscheiben-Laser aus Blei-Salz Materialien entwickelt, die bei sehr langen Wellenlängen von bis zu 4.3 Mikrometer arbeiten, während die Lichtemission von herkömmlichen Halbleiterlasern bisher bei Raumtemperatur auf Wellenlängen kürzer als 3.3 Mikrometer limitiert war. Im längerwelligen Spektralbereich treten üblicherweise starke "nicht-strahlende" Verluste auf, womit die Anregung des Lasers nicht mehr als Licht abgestrahlt wird, sondern in Form von Wärme verloren geht. Bei den neuen Infrarot-Halbleiterscheibenlasern aus Blei-Salz Halbleitern treten dagegen vergleichsweise geringe Verlusten auf. Diese Laser erfordern daher nur sehr geringe Anregungsleistungen und strahlen bei einer einzigen scharf definierten Laserwellenlänge ab. Das aktive Lasermaterial wird dabei im Ultrahoch-Vakuum aufgedampft und es besteht aus hauchdünnen, nur circa 30 Atomlagen dicken Bleiselenid (PbSe)-Quantenfilmen. Als Besonderheit haben wir auch Photoleitungsdetektoren durch einfaches Tintenstrahl-Drucken hergestellt. Diese Detektoren zeigen überaus hohe Empfindlichkeit, die bei Raumtemperatur in etwa 100 bis 1000 mal höher ist als die von epitaktisch gewachsenen Quantenpunkt Photodetektoren. Darüber hinaus arbeitet dieser Detektor nicht nur im gesamten sichtbaren Spektralbereich, sondern bis zu einer Wellenlänge von 3 m. Dies ist die längste Wellenlänge für die jemals der Betrieb eines elektro-optischem Bauelementes demonstriert worden ist, das aus flüssigprozessierbaren Materialien hergestellt wurde.