Optische Detektion und Kontrolle von Wärmetransport auf der Nanometerskala

• Antragsteller: Professor Dr. Achim Hartschuh
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426728715

Eines der grundlegendsten und kritischsten Probleme nanoskaliger elektronischer und optoelektronischer Bauteile ist die effektive Dissipation von Wärme. Aufheizen ist ebenso nachteilig für die Beständigkeit neuartiger Materialien für Solarzellen, wie beispielsweise Polymer- und Perowskit-Dünnfilme. Andererseits eröffnet die gezielte Zuführung von Wärmeenergie vielversprechende neue Möglichkeiten im Bereich der Thermotherapie und anderer auf Wärmestimulation basierter Anwendungen. Die Handhabung und der Transport von Wärme sind für Nanomaterialien aufgrund ihres kleinen Volumens und der damit verbundenen geringen Wärmekapazität besonders kritisch. Typische makroskopische Kühlmethoden kommen aus offensichtlichen Gründen hierbei kaum in Frage. Zur Lösung dieser Problematik wurden daher bereits verschiedene Konzepte vorgestellt und getestet. Beispielsweise konnte gezeigt werden, dass Wärme effizient durch eindimensionale Nanostrukturen, wie metallische Nanodrähte und Kohlenstoffnanoröhren transportiert werden kann. Die bisher vorgestellten Ansätze ermöglichten es aber nicht, die Effizienz des Wärmetransports zu kontrollieren.Wir schlagen vor, die Problematik der Wärmedissipation in Nanosystemen durch die Entwicklung und Optimierung mikroskopischer Methoden für nanoskalige Temperaturmessungen und durch das Design neuer Materialien zu adressieren. Diese Materialien sollen es erstmals ermöglichen, den Wärmetransport (optisch) zu beobachten und zu kontrollieren. Unser Ansatz basiert dabei auf der photokontrollierten Temperaturmessung und Kühlung durch in dielektrische Nanokristalle eingebettete Ionen der Seltenen Erden. Hierzu wird die bekannte Temperaturabhängigkeit der Photolumineszenzintensität zweier Emissionslinien der Ionen ausgenutzt um die lokale Temperatur zu bestimmen. Implementiert in einem rastersondenmikroskopischen Ansatz soll hiermit eine Ortsauflösung von besser als 50 nm erreicht werden. Für den gerichteten Wärmetransport mit einer Reichweite von bis zu einigen zehn Mikrometern verwenden und untersuchen wir einzelne Silbernanodrähte. Lokales Kühlen soll zum einen optisch, über Phononen-unterstützte Absorption und zum anderen über eine positionierbare Metallspitze erreicht werden. Die von uns entwickelten Funktionalitäten setzen wir dann zur ferngesteuerten Freisetzung von Substanzen mittels Nanodraht-basierten Wärmetransports ein. Unsere Kooperation vereinigt die für die Durchführung der beschriebenen Arbeiten notwenigen komplementären Expertisen: Das NCU Team zeichnet sich aus durch fundierte Erfahrung im Bereich der Nanodraht-Plasmonik und der Photophysik der Seltenen Erden sowie deren experimentellen Untersuchung. Das LMU Team verfügt über vielfältige Expertisen im Bereich der Rastersondenmikroskopie. Die Ergebnisse dieses Projekts werden wichtig sein für die Entwicklung neuer Ansätze zum Heizen und Kühlen auf der Nanometerskala und damit verknüpften Anwendungen im Bereich der Nano- und Optoelektronik sowie der Thermotherapie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Partnerorganisation: Narodowe Centrum Nauki (NCN)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Sebastian Pawel Mackowski