Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

UV-Licht-Sensoren aus dem Backofen

19.11.2013
Kieler Forschende revolutionieren Herstellungsverfahren von Nanostrukturen

In Brandmeldern und Wasseraufbereitern verrichten sie ihren lebensrettenden Auftrag, und die Nachfrage nach ihnen steigt in vielen Bereichen wie Umwelt oder Industrie stetig an: UV-Licht-Sensoren.


Schneelandschaft im Ofen: Das neue Herstellungsverfahren von Zinkoxid-Nanostrukturen der Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler könnte die Produktion von UV-Sensoren revolutionieren.
Foto/Copyright: Schimmelpfennig/CAU

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun gelungen, innerhalb weniger Sekunden Nanostrukturen zu „backen“, um damit ultraschnelle Sensoren herzustellen.

Das neue Verfahren verzichtet völlig auf teure Geräte und giftige Chemikalien und ist insbesondere für Unternehmen hochinteressant. Die Forschenden veröffentlichten ihre Arbeit heute (19. November) online in der renommierten Fachzeitschrift „Advanced Materials“.

Eine der größten Herausforderungen beim Bau eines Sensors mit Nanostrukturen sei es, die kleinen elektrischen Kontakte auf den Chips über extrem winzige Strukturen zu verbinden, die gut auf ultraviolettes Licht reagieren, sagt Dawit Gedamu, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Kieler Arbeitsgruppe „Funktionale Nanomaterialien“.. Die meisten der bisher angewendeten Herstellungsmethoden solcher Strukturen wie die chemische Gasphasenabscheidung oder die Dampf-Flüssigkeits-Feststoff-Methode (VLS) funktionieren nur unter speziellen Bedingungen. Katalytische Teilchen, besondere Substrate, komplexe Temperatur- sowie Atmosphärenerfordernisse und viele andere Faktoren spielen hierbei eine Rolle.
Darüber hinaus ist ein weiterer aufwändiger Schritt nötig, um die erzeugten Nanopartikel in einen Chip einzufügen. Hinzu kommt, dass es bei den verwendeten Halbleitern, unter anderen Silicium und Galliumnitrid, an Lichtempfindlichkeit hapert, und solche Sensoren in rauen Umgebungen nicht reagieren. Viele Nachteile also, die ihre Einsatzmöglichkeiten stark einschränken.

„Äußerst vielversprechend“ für verschiedene Anwendungen hingegen seien Sensoren, die auf Zinkoxid basieren, sagt Dr. Yogendra Kumar Mishra, Hauptautor der Studie. „Zinkoxid-Nanostrukturen sind wegen ihrer UV-Lichtempfindlichkeit und ihren elektrischen und mechanischen Eigenschaften sehr interessant für multifunktionale Anwendungen“, so Mishra. Außerdem ist das Material vergleichsweise günstig und die Partikel einfach herzustellen. Zink als Mineralstoff ist sogar lebenswichtig für den menschlichen Organismus, was die Nano-Mikrostrukturen auch für die Biomedizintechnik interessant macht.

Die Forschenden verbanden also die Elektroden auf einem Chip über zusammenhängende vierarmige Zinkoxid-Kristalle,ein Netzwerk, tausend Mal dünner als ein menschliches Haar. Diese Nano-Tetrapoden, deren Arme sich gegenseitig durchdringen, stellten sie in einem einfachen Brennofen her mittels einer neuen und so genannten Flammentransport-Synthese.
Lediglich hohe Temperaturen unter normalen Bedingungen braucht es, um aus den Zink-Mikropartikeln Nano-Mikrotetrapoden zu erhalten. Der Chip wird dann nur kurz über die Flamme gehalten: „Die Methode erlaubt uns auf diese Weise sogar, die winzigen Zinkoxid-Netzwerke direkt auf einem Chip wachsen zu lassen – und das in Sekundenschnelle!“, berichtet Mishra. Die hohen Temperaturen sorgten dabei für eine dichte Verbindung zwischen den elektrischen Kontakten und den Nanostrukturen, die die Leistung des Sensors erheblich verbessert.

Das Ergebnis: Der von den Kielerinnen und Kielern in einem Schritt hergestellte Sensor reagierte innerhalb von Millisekunden auf die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht. Darüber hinaus funktioniert er auch in eher rauen Umgebungen. Die einfachen und günstigen Produktionsbedingungen sowie die Verwendung von puren Zink-Mikropartikeln machen die neue Herstellungsmethode aus den Laboren der schleswig-holsteinischen Landesuniversität hochattraktiv für die Industrie. „Es gab schon erste Nachfragen von Unternehmen aus Schleswig-Holstein. Unsere Grundlagenforschung erzielt also Ergebnisse, die über einen innovativen Technologietransfer in konkrete Anwendungen überführt werden können“, erklärt Professor Rainer Adelung, Leiter der Forschungsgruppe. Einer der nächsten Schritte der beteiligten Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler ist es deshalb, die Nano-Tetrapoden in größerem Stil produzieren zu können.

Kurios bei diesem Erfolg: Die Zinkoxid-Nanostrukturen starteten ihre Karriere als Abfallprodukt bei Experimenten mit der herkömmlichen VLS-Methode. Eines Tages untersuchte Yogendra Mishra die Kristalle, die aussehen wie künstlicher Schnee, unter dem Mikroskop: „Ihre besondere Struktur der sich gegenseitig durchdringenden Arme und ihre Eigenschaften als Lichtdetektoren ließen gleich auf das enorme Anwendungspotenzial schließen“, sagt der Wissenschaftler, der als Stipendiat der Alexander von Humboldt-Stiftung in den folgenden Jahren die Methode entwickelte. Denn um die Nano-Tetrapoden kontrolliert herstellen zu können, musste zunächst das richtige Rezept von Temperatur, Mischungsverhältnis von Zinkpartikel und Polymermatrix und anderen Parametern herausgefunden werden.

Nanowissenschaften sind an der Universität Kiel stark vertreten. So wurden Mishras Arbeiten erst durch die Unterstützung zweier großer Sonderforschungsbereiche (SFB) möglich. Fast 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler tüfteln dort zum einen an Molekülen, die sich durch Licht an- und ausschalten lassen, um bestimmte Funktionen erfüllen zu können (SFB 677 „Funktion durch Schalten“). Zum anderen forschen sie an neuen Materialien für Sensoren, die kleinste Magnetfelder im menschlichen Körper messen können sollen (SFB 855 „Magnetoelektrische Verbundwerkstoffe – biomagnetische Schnittstelle der Zukunft“). Gefördert werden sie dabei von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Online-Originalpublikation:
Rapid fabrication technique for interpenetrated ZnO nanotetrapod networks for fast UV-sensors; Dawit Gedamu, Ingo Paulowicz, Sören Kaps, Oleg Lupan, Sebastian Wille, Galina Hairdarschin, Yogendra Kumar Mishra, Rainer Adelung; Advanced Materials; DOI: 10.1002/adma.201304363
Bilder stehen zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-347-1.jpg
Bildunterschrift: Hauptautor der Studie Yogendra Kumar Mishra
Foto/Copyright: Schimmelpfennig/CAU

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-347-2.jpg
Bildunterschrift: Schneelandschaft im Ofen: Das neue Herstellungsverfahren von Zinkoxid-Nanostrukturen der Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler könnte die Produktion von UV-Sensoren revolutionieren.
Foto/Copyright: Schimmelpfennig/CAU

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-347-3.jpg
Bildunterschrift: Schematischer Aufbau des innovativen Herstellungsprozesses von Zinkoxid-Nanostrukturen. Zink-Mikropartikel (graue Kügelchen) wandeln sich in der Flamme im Ofen in Nano-Mikrotetrapoden (Mikroskopieaufnahmen) um. Um die Kontakte auf einem Chip darüber zu verbinden, wird dieser lediglich kurz über die Flamme gehalten.
Foto/Copyright: Mishra
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-347-4.jpg
Bildunterschrift: Schema der Zinkoxid-Nanostrukturen, die zwei Gold-Kontakte auf einem Lichtdetektor verbinden.
Foto/Copyright: Mishra/Advanced Materials

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-347-5.jpg
Bildunterschrift: Schematische Illustration der Zinkoxid-Nanostrukturen, die durch die Brenner-Flammentransport-Synthese entstehen und als Netzwere zwei Kontakte verbinden.
Foto/Copyright: Mishra/Advanced Materials

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-347-6.jpg
Bildunterschrift: Mikroskopaufnahme der Zinkoxid-Nanostrukturen, die zwei Kontakte verbinden (von oben nach unten).
Foto/Copyright: Mishra

Kontakt:
Dr. Yogendra Kumar Mishra
Funktionale Nanomaterialien
Institut für Materialwissenschaft
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Tel.: 0431/880 6195
E-Mail: ykm@tf.uni-kiel.de

Prof. Dr. Rainer Adelung
Funktionale Nanomaterialien
Institut für Materialwissenschaft
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Tel.: 0431/880 6116
E-Mail: ra@tf.uni-kiel.de


Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Denis Schimmelpfennig
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de

Denis Schimmelpfennig | Uni Kiel
Weitere Informationen:
http://www.uni-kiel.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Studie InLight: Einblicke in chemische Prozesse mit Licht
22.11.2016 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Eigenschaften von Magnetmaterialien gezielt ändern
16.11.2016 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie