Aufgerollte metallisch/dielektrische Hybridstrukturen als integrierte on-chip Resonatorstrukturen für multifunktionale optische markierungsfreie Detektion

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver G. Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299334439

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Optische markierungsfreie Sensorik hat sich als leistungsfähiges Werkzeug in der biochemischen Detektion erwiesen, das die Nachteile zeitaufwändiger, komplexer und teurer Prozesse bei Markierungstechniken überwindet. Oberflächenplasmonenresonanz-Sensoren (SPR) und Flüstergalerie-Resonator-Sensoren (WGM) sind als Plattformen für markierungsfreie Sensorik bekannt. Wenn die Vorteile von SPR und WGM kombiniert werden, kann die Leistung der markierungsfreien Sensorik auf einer Plattform aus hybriden optoplasmonischen Mikrokavitäten weiter gesteigert werden. Das Hauptziel des Projekts war das Design und die Optimierung hybrider optoplasmonischer Strukturen für die markierungsfreie Sensorik, die aus aufgerollten Mikroröhrchen-Hohlräumen und Edelmetall-Nanostrukturen bestehen. Dazu wurde in diesem Projekt die in situ Erzeugung von Silber-Nanopartikeln für die selektive Kopplung zwischen lokalisierter SPR und WGM auf hybriden Mikroröhrchen-Kavitäten untersucht. Mit diesem Verfahren haben wir die Modenwechselwirkungen und die resonante Hybridisierung in Nanomembran-geformten konzentrischen Doppelring-Kavitäten demonstriert, die eine kompakte Plattform für Sensoranwendungen bieten. Graphen-aktivierte optoplasmonische Kavitäten wurden auf Basis von Mikroröhrchen-Hohlräumen entworfen und für die in situ Überwachung der Photodegradationsdynamik auf molekularer Ebene in Echtzeit eingesetzt. Diese Experimente ebnen den Weg für eine hochpräzise Echtzeit-Analyse der Photodegradation durch einen optischen Sensor. Des Weiteren haben wir über eine in-situ Analyse der dynamischen Entwicklung von nanoskaligen Wasserschichten auf einer amorphen Oxidoberfläche berichtet, die durch optische Resonanzen detektiert wird und die die fundamentalen Grenzen derzeit verfügbarer Techniken auf diesem Gebiet überwindet. Durch die Erforschung verschiedener Arten von Mikroröhrchen-Hohlräumen haben wir eine dreidimensionale Sensorik etabliert, die auf optischen, plasmonischen aber auch elektronischen und magnetischen Wechselwirkungen basiert und auf ein breites Spektrum von Materialien anspricht, einschließlich Flüssigkeiten, Biomoleküle, mikrometer-/nanogroße Objekte und Gase. Unsere Arbeiten sind ein wichtiger Schritt in Richtung kompakter und integrierbarer markierungsfreier Sensoren in einem Lab-on-a- Chip-Analysesystem.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Curved nanomembrane-based concentric ring cavities for supermode hybridization," Nano Lett. 18, 7261 (2018)
  J. Wang, Y. Yin, Q. Hao, Y.D. Yang, S. Valligatla, E. S. Ghareh Naz, Y. Li, C. N. Saggau, L. Ma, O. G. Schmidt
  
• "In Situ Generation of Plasmonic Nanoparticles for Manipulating Photon–Plasmon Coupling in Microtube Cavities," ACS Nano 12, 3726 (2018)
  Y. Yin, J. Wang, X. Lu, Q. Hao, E. S. Ghareh Naz, C. Cheng, L. Ma, O. G. Schmidt
  
• "Deterministic yet flexible directional light emission from spiral nanomembrane cavities," ACS Photon. 6, 2537 (2019)
  J. Wang, Y. Yin, Y. D. Yang, Q. Hao, M. Tang, X. Wang, C. N. Saggau, D. Karnaushenko, X. Yan, Y. Z. Huang, L. Ma, O. G. Schmidt
  
• "Graphene-activated optoplasmonic nanomembrane cavities for photodegradation detection," ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 15891 (2019)
  Y. Yin, J. Pang, J. Wang, X. Lu, Q. Hao, E. S. G. Naz, X. Zhou, L. Ma, O. G. Schmidt
  
• "Three-dimensional microtubular devices for lab-on-a-chip sensing applications," ACS Sens. 4, 1476 (2019)
  J. Wang, D. Karnaushenko, M. Medina-Sánchez, Y. Yin, L. Ma, O. G. Schmidt
  
• "Water nanostructure formation on oxide probed in situ by optical resonances," Sci. Adv. 5, eaax6973 (2019)
  Y. Yin, J. Wang, X. Wang, S. Li, M. R. Jorgensen, J. Ren, S. Meng, L. Ma, O. G. Schmidt
  
• "Dynamic tuning of photon-plasmon interaction based on three-dimensionally confined microtube cavities," Opt. Lett. 20, 5720 (2020)
  E. S. Ghareh Naz, Y. Yin, J. Wang, A. Madani, L. Ma, O. G. Schmidt
  
• "Silicon-based integrated label-free optofluidic biosensors: latest advances and roadmap," Adv. Mater. Technol. 5, 1901138 (2020)
  J. Wang, M. M. Sanchez, Y. Yin, R. Herzer, L. Ma, O. G. Schmidt
  
• "Steering directional light emission and mode chirality through postshaping of cavity geometry," Laser Photonics Rev. 14, 200118 (2020)
  J. Wang, M. Tang, Y. D. Yang, Y. Yin, Y. Chen, C. N. Saggau, M. Zhu, X. Yuan, D. Karnaushenko, Y. Z. Huang, L. Ma, O. G. Schmidt
  
• "Shape-Controlled Flexible Microelectronics Facilitated by Integrated Sensors and Conductive Polymer Actuators," Adv. Intell. Syst. 2000238 (2021)
  B. Rivkin, C, Becker, F. Akbar, R. Ravishankar, D. D. Karnaushenko, R. Naumann, A. Mirhajivarzaneh, M. Medina-Sánchez, D. Karnaushenko, O. G. Schmidt