Projekte
Alternative Szenarien, innovative Technologien und Monitoringansätze für die Speicherung von Kohlendioxid in ozeanischer Kruste: AIMS3
Förderung:
Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt
Freie Hansestadt Bremen
Behörde für Wissenschaft, Forschung, Gleichstellung und Bezirke, Hamburg
Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur
Mecklenburg-Vorpommern
Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur, Schleswig-Holstein
Laufzeit: 01.08.2021 - 31.07.2027
Beschreibung: Das Ziel der Arbeiten der AG Solid State Materials (SSM) ist die Realisierung eines chemisch stabilen pH-Sensors für den Betrieb bei hohem hydrostatischem Druck in tiefen Gewässern. Kernstück dieses Sensors ist ein innovativer ionensensitiver Feldeffekttransistor (ISFET), der auf Basis des Materialsystems GaN-AlN anstelle der „klassischen“ Siliziumtechnologie hergestellt wird. Die AG SSM hat bereits gezeigt, dass solche Sensoren mit monolithisch integrierter pH-sensitiver Metalloxid-Gateschicht (z.B. Al2O3, Ga2O3) eine hohe chemische Stabilität, pH-Empfindlichkeit und Linearität aufweisen [1,2,3]. Die hohe Linearität im Ziel-pH-Bereich, die ohne weitere Datenverarbeitung erreicht wird, erlaubt Messungen mit einer hohen Präzision von ± 0,05 pH [1,2] und einer kurzen Ansprechzeit von ~ 10 ms, geeignet für die Fahnenerkennung mit AUVs [4]. Als innovativer Technologieschritt wird der pH-Sensor differentielle Messungen von zwei oder mehr ISFETs auf einem Chip verwenden [2], die den Effekt von temperatur- oder druckbedingten Signaldriften unterdrücken, mit dem Ziel des Betriebs in Wassertiefen bis zu 4000 m. In Zusammenarbeit mit der Firma Sea and Sun Technologies werden Sensorprototypen fufgebaut, unter Laborbedingungen und unter Anwendungsbedingungen getestet und bewertet.
Referenzen:
[1] Steinhoff et al. 2003 https://doi.org/10.1063/1.1589188
[2] Stock et al. 2018 https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.02.068
[3] Wang et al. 2018 https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.09.072
[4] Dean et al. 2020 https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2020.103120
Link: https://aims3.cdrmare.de/
Kontakt: Prof. Dr. Martin Eickhoff
Wasserstoff-Sensorik für die Sichere Emissionslose Luftfahrt: HySEAt - H2-Detektion mit Nanophotonischen Halbleitersonden: HyNano
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - Luftfahrtforschungsprogramm LuFo VI-3
Laufzeit: 01.12.2024 - 30.11.2027
Beschreibung: Wasserstoff-(H2-)basierte Antriebe sind derzeit die vielversprechendste Technologie auf dem Weg zu emissionsfreien Flugzeugen. Um den sicheren Betrieb eines Flugzeugs mit Wasserstoff als Energieträger sicherzustellen, muss die Dichtigkeit der gesamten Wasserstoffinfrastruktur überwacht werden. Es ist daher Ziel des Gesamtvorhabens HySEAt, eine Sensorik-Plattform für diese wichtige Anwendung zu entwickeln. Die Ziele des Teilvorhabens HyNano der AG Festkörpermaterialien sind die Entwicklung und Implementierung optischer H2-Sensoren auf Basis von hybriden Halbleiternanostrukturen (Pd:GaN), deren Photolumineszenz- (PL-)charakteristik sensitiv auf die Anwesenheit von Wasserstoff reagiert. Zur Optimierung der Sensorstruktur wird zunächst die Grenzfläche zwischen Nanostruktur und katalytischer Pd-Schicht optimiert, um eine hohe Stabilität bei Tieftemperaturzyklen und eine hohe Detektionsempfindlichkeit bei geringen Ansprech- und Erholzeiten zu erreichen. Dabei ist die Photoaktivierung des Detektionsprozesses entscheidend, die durch Photodesorption dem verlangsamten Desorptionsprozessen bei kryogenen Temperaturen entgegenwirkt. Die Integration der (PL-)Sonden in ein Sensorsystem erfolgt auf zwei Arten: In einem diskreten Aufbau werden die Nanosonden auf einem transparenten Substrat hergestellt, das als Fenster in einem doppelwandigen Rohrsystem den Transport von H2 überwacht und das Eindringen von H2 und O2 detektiert. Hier ist die effiziente Ankopplung an geeignet gewählte Anregungslichtquelle und Photodetektor von der Substratrückseite zu lösen. In einem zweiten Ansatz werden die Nanosonden monolithischin einen Lichtwellenleiter integriert, der direkt auf dem Tank aufgebracht oder im Rohrsystem verlegt wird. Beide Systeme werden realisiert und dann im Labor und unter anwendungsnahen Bedingungen getestet. Darüber hinaus werden AlGaN/GaN Feldeffektttransistoren mit katalytischem Pd- und Pt-Gatemetallen als H2 Sensoren bezüglich Sensitivität und Stabilität der Grenzfläche optimiert.
Projektpartner:
Airbus Defence and Space GmbH (Munich), Coordinator
CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH (Erfurt)
Infineon Technologies AG (Regensburg)
Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM (Freiburg)
Micro-Hybrid Electronic GmbH (Erfurt)
Kontakt: Prof. Dr. Martin Eickhoff
Gadolinium-dotierte Galliumoxid Polymorphe und Legierungen: Einfluss des Kristallfeldes auf die UV-Emission
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG
Laufzeit: 01.03.2025 - 28.02.2027
Beschreibung: Galliumoxid (Ga2O3) ist ein Halbleiter mit extrem breiter Bandlücke. Obwohl er hervorragende Materialeigenschaften und technische Möglichkeiten aufweist, die ihn an die Spitze der Forschung gebracht haben, hat das native Material nur ein begrenztes Potenzial als optischer Emitter. Um dieses Problem zu lösen, können optisch aktive Ionen in Ga2O3 eingebaut werden. Eines dieser Ionen steht im Mittelpunkt dieses Projekts: Gadolinium (Gd), das im ultravioletten B-Spektralbereich (UV-B) emittiert. Das Hauptziel dieses Projekts ist die Synthese von Gd-dotiertem Ga2O3 durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) und die Charakterisierung seiner optischen Emission. Darüber hinaus zielt das Projekt darauf ab, die Wirkung des Kristallfeldes in Ga2O3-basierten Polymorphen und Legierungen zu verstehen und zu quantifizieren, indem die internen optischen Übergänge der Gadolinium-Verunreinigung als Fingerabdruck für dieses Feld verwendet werden. Wir werden robuste und systematische Daten erstellen, die als Ausgangspunkt für künftige Kooperationen, möglicherweise sogar für künftige Projekte, dienen könnten, die auf theoretischen Berechnungen und/oder der potenziellen Herstellung von optischen Geräten auf der Grundlage dieses Materialsystems basieren.
Kontakt: Dr. Manuel Alonso Orts
Suboxid-Molekularstrahlepitaxie: In Richtung hoher Elektronen-Mobilität in α-(Al,Ga)2O3 und β-(Al,Ga)2O3
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG
Laufzeit: 01.11.2024 - 31.10.2027
Beschreibung: Die Suche nach neuartigen Materialien geht seit jeher mit der Suche nach neuartigen Synthesemethoden einher. Für die Synthese neuer Funktionsmaterialien wurden bahnbrechende Dünnschicht-Abscheidungsmethoden entwickelt. Die Synthese-Wissenschaft der Molekularstrahlepitaxie (MBE) hat zu einem großen Teil die Entwicklung eines neuen technologischen Zeitalters ermöglicht: Die Entwicklung von Festkörper- und optoelektronischen Bauelementen --- die unser modernes tägliches Leben bestimmen. Der vorliegende Antrag zielt auf das Wachstum und die Dotierung des Halbleiters (Al,Ga)2O3 mit ultrabreiter Bandlücke (engl: UWBG) mittels Suboxid-MBE (S-MBE) --- eine neue MBE-Wachstumsmethode unter Verwendung von Suboxiden als Quellmaterial. Das bahnbrechende Merkmal der S-MBE besteht darin, dass es die komplexe 2-Stufen Kinetik von III-O-Materialien, in eine einfache und 1-Stufen Oberflächenkinetik umwandelt. Somit lassen sich neue III-O-Materialien mit höherer kristalliner Perfektion, deutlich höheren Wachstumsraten und niedrigeren Wachstumstemperaturen als derzeit von jeder anderen Oxid-MBE-Variante gezeigt züchten. In diesem Projekt wird S-MBE weiterentwickelt, um α-(Al,Ga)2O3 und β-(Al,Ga)2O3 unter Verwendung der Suboxide Ga2O und Al2O zu züchten. Für beide Polymorphe wird die Mischbarkreisgrenze von Al2O3 in Ga2O3 untersucht werden (auf verschiedenen Substraten). In einer Folgestudie werden diese optimierten (Al,Ga)2O3-Legierungen mit den Suboxiden SiO und GeO n-Typ dotiert. Bisher wurden als höchste Raumtemperaturmobilität (μe) für α-Ga2O3 und β-Ga2O3 entweder μe = 65 cm-2V-1s-1 bzw. μe = 176 cm-2V-1s-1 erreicht, beides gewachsen mittels chemischer Gasphasenabscheidung. Im Gegensatz dazu wird in der Literatur kein leitfähiges n-Typ-α-(AlxGa1-x)2O3 beschrieben, und in β-(Al0,15Ga0,85)2O3 beträgt die n-Typ-Mobilität bisher höchstens μe = 4 cm-2V-1s-1. Abhängig vom Dotierstoff (z. B. Si) und der Al-Konzentration im (AlxGa1-x)2O3-Kristall sinkt μe aufgrund der Bildung von DX-Zentren oder anderer kompensierender Punktdefekte. Die Antragsteller schlagen nun vor, dass die durch S-MBE möglich werdende Oberflächenkinetik und Defektbildungs-Thermodynamik, n-Typ α-(AlxGa1-x)2O3 und β-(AlxGa1-x)2O3 Schichten mit x > 0,2 und μe > 50 cm-2V-1s-1 möglich werden --- und ist das wissenschaftliche Ziel dieses Antrags.
Kontakt: Prof. Dr. Martin Eickhoff
Neue Wege zur Herstellung und grundlegenden Untersuchung optischer Kavitäten auf der Basis von epitaktischem Ga2O3
Förderung: Zentrale Forschungsförderung ZF der Universität Bremen (Eigene Projekte für Postdocs)
Laufzeit: 01.01.2022 - 31.12.2024
Beschreibung: Galliumoxid (Ga2O3) ist ein Halbleiter mit einer extrem breiten Bandlücke (UWBG), der sich aufgrund seiner Bandlücke von 5 eV und der Verfügbarkeit von kostengünstigen Substraten als vielversprechende Alternative zu führenden Halbleitern mit großer Bandlücke für elektronische und optische Hochleistungsgeräte erwiesen hat. Ziel dieses Projekts ist die Überwindung der technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit dem UWBG-System, indem neuartige Herstellungsverfahren und Designs für optische Kavitäten im Nah-Infrarot- und Nah-UV-Bereich auf der Grundlage von epitaktischem Ga2O3 entwickelt und angewendet werden.
Kontakt: Dr. Manuel Alonso Orts
Quantitative Bestimmung interner elektrischer Felder in Halbleiter-Nanostrukturen durch Transmissionselektronenmikroskopie
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG
Laufzeit: 01.02.2021 - 31.01.2024
Beschreibung: Ziel des beantragten Projektes ist die quantitative Bestimmung interner elektrischer Felder (IEFs) in Halbleiternanostrukturen mit Hilfe moderner Methoden der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und durch kontrollierte Superposition externer elektrischer Felder. Als ideales Modellsystem für diese Untersuchungen konzentrieren sich die Arbeiten auf pn-Übergänge in Gruppe III-Nitrid Nanodrähten (III-N NWs) sowie auf axiale Gruppe III-Nitrid Nanodraht-Heterostrukturen (III-N NWHs), die mittels plasmainduzierter Molekularstrahlepitaxie synthetisiert werden. Derartige NWHs können reproduzierbar mit hoher Präzision hergestellt werden und weisen polarisationsinduzierte IEFs in der Größenordnung von bis zu einigen MV/cm auf, deren Größe durch die geometrischen Abmessungen, die chemische Zusammensetzung und die Dotierkonzentrationen eingestellt werden kann. Darüber hinaus können Stärke und räumliche Verteilung der IEFs in individuell elektrisch kontaktierten NWs und NWHs durch Superposition eines externen elektrischen Feldes auf kontrollierte Weise manipuliert werden.Da die optischen Eigenschaften von III-N NWHs durch den Quantum-Confined Stark-Effekt stark beeinflusst werden, werden hier die IEFs ein und derselben Nanostruktur sowohl mit Hilfe der neuen TEM-Methoden als auch mittels optischer Analysen durch Bias-abhängige Photostrom- und Mikrophotolumineszenzmessungen untersucht. Der Vergleich der optischen Analysen und der TEM-Messungen für verschiedene Anregungs- und Elektronenstromdichten in Kombination mit numerischen Simulationen der Elektronen- und Lochzustände erlaubt dann eine quantitative Bestimmung der IEFs und führt zu einem verbesserten Verständnis der elektronischen Bandprofile, der Feldabschirmung durch freie Ladungsträger aber auch des Einflusses präparationsabhängiger elektronischer Oberflächenzustände. Die Verfügbarkeit und die Optimierung einer TEM-basierten Technik zur zuverlässigen und direkten Messung von IEFs ist nicht nur für die hier modellhaft behandelten AlGaN/GaN und InGaN/GaN Nanostrukturen relevant. Sie ist darüber hinaus von großem Interesse für die Analyse komplexer Nanostrukturen anderer Halbleitersysteme (z. B. GaAs/AlGaAs) aber auch für andere Anwendungen wie z. B. ferroelektrische Tunnelkontakte.
Kontakt: Prof. Dr. Martin Eickhoff
Fluoreszenzspektroskopie an Baumringen: neue Klimaproxys für die Dendroklimatologie
Förderung: Zentrale Forschungsförderung ZF der Universität Bremen (Impulse für Forschungsvorhaben)
Laufzeit: 01.05.2021 - 30.04.2022
Beschreibung: Über Fluoreszenzspektroskopie an Baumringen sollen neue Klimaproxys ermittelt werden um die Möglichkeiten der Klimarekonstruktion durch Dendroklimatologie zu erweitern. Ziel dieses Projekts ist die zerstörungsfreie und reproduzierbare Analyse von Baumringen mit UV-VIS-Fluoreszenzspektroskopie. Die Emissionsbanden im Fluoreszenzspektrum können
unterschiedlichen Holzbestandteilen (Cellulose, Lignin) zugeordnet werden. Die Intensität der Emissionsbanden lässt Rückschlüsse auf das Vorhandensein bzw. auf qualitative, evtl. auch quantitative Konzentrationsänderungen der Bestandteile zu. Diese und weitere Informationen (Jahresringbreiten etc.) sollen die Rekonstruktion von Klimaparametern wie Temperatur, Niederschlag und Sonneneinstrahlung verfeinern und verbessern.
Kontakt: Dr. Christian Tessarek
Chemische Gasphasenabscheidung und laserinduzierte Modifikation von Nano- und Heterostrukturen aus zweidimensionalen, atomar dünnen Schichten für photonische Anwendungen
Förderung: Zentrale Forschungsförderung ZF der Universität Bremen (Eigene Projekte für Postdocs)
Laufzeit: 01.10.2019 bis 30.09.2022
Beschreibung: Ziel des Projektvorhabens ist die präzise Manipulation der optischen Eigenschaften von Heterostrukturen aus zweidimensionalen (2D) atomar dünnen Materialien wie Graphen, Bornitrid (BN) und Übergangsmetall-Dichalkogeniden wie z.B. Molybdändisulfid (MoS2) und Wolframdiselenid (WSe2). Diese Heteroschichten sollen über van-der-Waals Epitaxie mit der Methode der chemischen Gasphasenabscheidung übereinander gewachsen werden. Über die Abscheidung von Graphen und/oder BN unter- und/oder oberhalb der Übergangsmetall-Dichalkogenid-Schicht soll die dielektrische Umgebung modifiziert werden. Die Herausforderung ist dabei die Identifikation spezifischer Wachstumsfenster, in denen diverse 2D-Materialien mit hoher Qualität und frei von Fremdmaterialverunreinigungen übereinander abgeschieden werden können. Darüber hinaus sollen Wachstumsparameter für ternäre Übergangsmetall-Dichalkogenide (MoWS2, Mo(SSe)2) entwickelt werden. Neben dem 2D-Schichtwachstum wird auch das selbst-organisierte Wachstum von quantenpunktartigen Nanostrukturen untersucht, z.B. unverspannte MoS2-Nanoinseln eingebettet in einer WS2-Matrix oder verspannte MoSe2-Nanoinseln in einer MoS2-Matrix. Dadurch soll der Effekt von Verspannung und der Ladungsträgereinschluss auf die optischen Eigenschaften untersucht werden. Ein wichtiger Fokus des Projektvorhabens ist die laserinduzierte Manipulation der Schichten. Über Laserbestrahlung sollen zur Kontrolle der optischen Eigenschaften gezielt Defekte wie z.B. S-Vakanzen in die Übergangsmetall-Dichalkogenid-Schicht erzeugt und so eine laterale Strukturierung optisch aktiver Bereiche erreicht werden. Ein über aktuelle Vorarbeiten erprobtes Verfahren zur lokalen präzisen Abdünnung von Übergangsmetall-Dichalkogenid-Schichten über Laserbestrahlung wird auf beliebige 2D-Heterostrukturen angewendet, um periodische Nanostrukturen hin zu photonischen Kristallen zu erzeugen.
Kontakt: Dr. Christian Tessarek
Einzelpunkt-Sensorsystem für die nicht-invasive, dynamische Messung der Herzfunktion (SINDynamik)
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 01.07.2018 bis 30.06.2020
Beschreibung: Kardio-vaskuläre Erkrankungen sind in Deutschland die häufigste Todesursache. Zentrale Voraussetzung für eine Verbesserung der Therapie, ist eine effiziente Langzeitdiagnostik. Die Echtzeitmessung des zentralen Venendrucks (ZVD) im rechten Vorhof des Herzens in Bezug zum EKG-Signal stellt eines der wichtigsten Verfahren in der Herz-Lungen Diagnostik dar. Um die dynamischen ZVD-Werte im zeitlichen Verlauf exakt zu erfassen, kommen invasive und sehr kostenintensive Ansätze mit drucksensorintegriertem Herz-Katheter zum Einsatz, die nicht für eine zugängliche präventive Diagnostik eingesetzt werden können. So ist bislang insbesondere nach einem Herzinfarkt oder einer Herzoperation eine Langzeitüberwachung der Herzkammerdynamik und des Herzventilzyklus, nicht möglich.
Ziel des Verbundprojekts SINDynamik ist deshalb die Erforschung und die vorklinische Validierung einer neuartigen Diagnose-Methode zur simultanen und nicht-invasiven Bestimmung des ZVD-Echtzeitsignals und des EKG-Signals. Dabei soll eine bio-elektrodynamische Erfassung der Herzaktivität an einem einzelnen Körperpunkt (Single Point Cardio-Dynamics, SPC) erfolgen. Der Sensor detektiert die bio-elektrische Herzgewebe-Depolarisation, überlagert mit der mechanischen Bewegung des elektrisch geladenen Herzgewebes und kann damit ein vollständiges Ladungsabbild der Herz-Lungen-Wechselwirkung mit der Atemdynamik liefern. Das SPC-Messverfahren ermöglicht prinzipiell eine kontinuierliche, nicht-invasive, personifizierte Herzdiagnostik, generiert damit einen erheblichen Patientennutzen und soll zur Verringerung der Mortalitätsrate nach einem Herzinfarkt beitragen.
Die Leistungsfähigkeit des SPC-Verfahrens wird am Ende des Projekts durch den Vergleich mit Standardverfahren zu EKG- und ZVD-Messungen an einer kleinen Testgruppe von Herz-Lungen Patienten demonstriert.
Kontakt: Prof. Dr. Martin Eickhoff
mehr