Terahertz Self-Mixing Reflektions-Interferometrie und Untersuchungen zur Adsorption/Desorption an Graphen-Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Elsäßer; Professor Ralf Riedel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409301819

Der Terahertzbereich des optischen Spektrums hat sich aktuell zu einem Schlüsselbereich entwickelt, mit einer Vielzahl von Anwendungen, z.B. in der Sicherheitstechnik, der Qualitätskontrolle in der Pharmazie und der Kunststoffindustrie sowie der spektroskopischen Sensorik. Parallel hierzu wurden neue Materialien mit einzigartigen Eigenschaften im THz-Frequenzbereich entdeckt und realisiert, wie z.B. Metamaterialien und nanoskalige Materialien. Hier setzt das geplante Forschungsvorhaben an, nämlich diese beiden Felder der Physik und der Physikalischen Chemie / Materialwissenschaften zu vereinen, mit dem Ziel, ein besseres Verständnis von Adsorptions- und Desorptionsprozessen durch Anwendung von THz-Techniken zu erreichen. Ein wesentlicher Beitrag, und Schlüsselaspekt dieses Forschungsantrags ist die kürzlich von einem der Antragsteller (Halbleiteroptik, W. Elsäßer) neuentwickelte Terahertz Self-Mixing Reflektions-Interferometrie (SMRI), einer Technik, die sowohl die Dauerstrich-THz-Strahlungserzeugung als auch ihre phasenempfindliche Detektion gleichzeitig in einer photoleitenden Antenne vereint. Wesentliche Vorteile sind eine deutlich reduzierte Komplexität und damit einhergehende Kostenreduktion des spektroskopischen THz-Aufbaus. Sie stellt darüber hinaus den zur Zeit weltweit kompaktesten THz-Sensoraufbau dar, der hier zur Untersuchung von THz Adsorptions-/Desorptionsprozessen an Graphenoberflächen eingesetzt werden soll. Wesentliche Ziele des Gemeinschaftsantrags sind i) die Verbesserung der SMRI-Methode und ii) die Anwendung dieser Technik auf Untersuchungen und Charakterisierungen von Adsorptions- und Desorptionsprozessen an 2D-Materialien, hier Graphen als derzeit bestuntersuchtes Beispiel dieser Materialklasse.Graphen ist aufgrund seiner großen effektiven Oberfläche in Verbindung mit seinen besonderen elektronischen Eigenschaften extrem empfindlich für Gase (z. B. NO2, NH3 und CO), bis zum Grenzfall von Einzelmoleküldetektion. Die Anwendung der SMRI soll neuen Einblick in die Adsorption/Desorptionsprozesse an der Graphen-Oberfläche geben, unterstützt durch ausgewählte Materialcharakterisierungstechniken (XPS, EELS, SEM/TEM, AFM/STM, Raman und Ellipsometrie). Schwerpunkt der Untersuchungen sind die Kinetik von Adsorptions-/Desorptionsprozessen und die Bindungsenergie der Moleküle. Es wird erwartet, dass die detaillierte Kenntnis der mittels SMRI gemessenen Veränderungen und Modifikationen der wechselwirkenden Gasmoleküle während des Adsorption/Desorption-Prozesses - auch im Zusammenhang mit Modellüberlegungen - zu einem tiefergehenden Verständnis der Adsorptions- und Desorptionsmechanismen führt, was letztendlich Gas-Sensorikkonzepte ermöglicht, die den Weg für eine kompakte, hochempfindliche THz "Fingerabdrucksspektroskopie" ebnen und die Entwicklung von Gassensoren ermöglicht, die den derzeitigen Sensoren auf Nanocarbon-Basis (CNTs/Graphen) überlegen sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen