Aktiv steuerbare optische Phasenschieber unter Nutzung der Partikelplasmonenresonanz im Nah-Infrarotbereich von n-dotierten Metalloxid-Nanopartikeln

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Haase; Professor Dr. Egbert Oesterschulze
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492328754

Konventionelle redoxaktive elektrochrome (EC) Materialien erlauben die elektrochemische Kontrolle der optischen Absorption von EC-Schichten. Obgleich damit nach Kramers-Kronig auch eine optische Phasenschiebung des transmittierten Lichts verbunden ist, kann diese auf Grund der starken Absorptionsänderung weder spektral breitbandig gemessen noch technisch genutzt werden. Die Ziele dieses Projektes sind daher die Untersuchung und aktive Kontrolle der optischen Phasenschiebung von Licht beim Durchgang durch anorganische halbleitende Nanopartikel (NP)-Schichten mit kapazitivem EC-Effekt. Der Grundgedanke ist, statt eines Redox-Prozesses die im nahen IR-Bereich liegende lokalisierte Partikelplasmonenresonanz (LSP) von n-dotierten metalloxidischen NP auszunutzen. Während bei dieser Resonanz die Brechzahländerung bzw. Phasenschiebung bis weit in den optischen Bereich reicht, ist die mit ihr verbundene Absorption auf ein schmales Band im nahen IR-Bereich begrenzt und beeinflusst damit die Nutzung der optischen Phasenschiebung wenig. Mithilfe einer Effektiv-Medium-Näherung nach Bruggeman wurde diese Idee für eine ITO-NP Schicht bestätigt. Im Experiment soll schließlich die Dichte freier Elektronen im NP durch das angelegte elektrische Potential gesteuert und somit eine kontinuierliche Phasenschiebung möglich.Um dieses interdisziplinäre Projekt zu bearbeiten, wird die Expertise der chemischen Synthese n-dotierter metalloxidischer NP (inkl. der Einstellung von Größe und Dotierung) und der Aufbereitung der NP zu rakelfähigen Pasten benötigt. Andererseits erfordert es die Expertise, diese Materialien mikrotechnisch in EC-Elektroden (bzw. EC-Bauelemente) umzusetzen, wobei hier die theoretische Modellbildung, optoelektrische Charakterisierung und Anwendung hinzukommt. Diese komplementären Expertisen der Antragsteller ergänzen sich ideal, wie die Kooperation in einem BMBF-Projekt bereits gezeigt hat. Es soll untersucht werden, wie weit der kontinuierlich schaltbare Phasenbereich für verschiedene Dotierungen/Partikelgrößen der metalloxidischen NP reicht und wie groß der erzielbare Phasen- bzw. Brechzahlhub im optischen Bereich ist. Begleitet werden diese Untersuchungen durch UV-Vis-NIR Messungen wie auch die spektrale Ellipsometrie, um die die Phasenschiebung hervorrufende LSP-Resonanz charakterisieren zu können. Zur präzisen ortsaufgelösten Messung der Phase wird ein abbildendes Interferometer benutzt. Die experimentellen Daten fließen in die theoretische Modellbildung ein.Die phasenschiebende Funktion soll anhand zweier Ansätze überprüft werden: einem optischen Phasenmodulator in Form eines mikrostrukturierten Dünnfilmphasengitters (diskrete Winkelablenkung mit steuerbarer Intensität) und einem neuartigen kontinuierlichen polaren / azimutalen EC-Strahlablenkungssystem. Dazu sind umfangreiche FEM-Simulationen der Potentialverteilung und die Berechnung der sich daraus ergebenden lokalen materialbedingten Phasenänderung erforderlich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen