Kombination von Metamaterialien mit Quantum Dot LEDs zur Optimierung ihres Abstrahlverhaltens (MetaQuant)

Spektroskopische Technologien kommen zum Einsatz, wenn Informationen über die chemische Zusammensetzung von Stoffen benötigt werden. Zu diesem Zweck hat sich die optische Spektroskopie im sichtbaren als auch im nahinfraroten Spektralbereich in den letzten Jahren zu einer der wichtigsten Messmethoden im Bereich der Labor- und Prozessmesstechnik entwickelt.
Die Möglichkeit, die chemische Zusammensetzung und Konzentration anhand spezifischer Merkmale festzustellen, ermöglicht die Anwendung der optischen Spektroskopie zum Beispiel im Bereich der Lebensmittelüberwachung, in der Überwachung der Luftqualität sowie für den Einsatz in der Umwelt- und Prozessüberwachung.
Obwohl spektroskopische Technologien sehr leistungsfähig und vielfältig einsetzbar sind, eignen sich etablierte Messgeräte derzeit noch nicht für einen flexiblen und kostengünstigen sensorischen Einsatz. Als Nachteile sind hier insbesondere die Größe und die hohen Anschaffungskosten zu nennen. Aus diesem Grund ist es weiterhin notwendig optische Komponenten durch neue Ansätze in ihrer Effizienz zu verbessern und weiter zu miniaturisieren, um die Umsetzung von hocheffizienten, miniaturisierten und vor allem preisgünstigen spektralen Sensorsystemen voranzutreiben und für den Massenmarkt bereitzustellen.

Das Ziel des Projektvorhabens besteht in der Realisierung von effizienten Lichtquellen auf der Basis von Quantenpunkten (QD-LEDs) und optischen Metamaterialien zur Anwendung in miniaturisierten spektralen Sensorsystemen. Dabei soll erforscht werden, wie optische Metamaterialien mit Lichtquellen auf der Basis von QD-LEDs wechselwirken. Es soll untersucht werden, wie diese Wechselwirkung eingesetzt werden kann, um das Abstrahlverhalten der QD-LEDs zu optimieren und sie damit für die optische Spektroskopie effektiv einsetzen zu können. Des Weiteren steht die Miniaturisierung im Fokus, mit dem Ziel eine geringere Bauhöhe als bei herkömmlichen LEDs zu erzielen, indem auf zusätzliche optische Komponenten, wie zum Beispiel zusätzliche Linsen verzichtet wird.
Im Vorhaben werden quantenpunkt-basierte Lichtquellen sowie die optischen Metamaterialien zunächst entworfen und simuliert, anschließend in unterschiedlichen Mikrotechnologien realisiert und miteinander in Verbindung gebracht, so dass eine monolithische Struktur resultiert. Die hergestellten Metamaterial-Quantum-Dot-LED-Elemente werden umfassend optisch und spektroskopisch charakterisiert.
Neben den Demonstrationsmustern ist als Hauptergebnis des Projektes die gewonnene Technologie zur integrativen Verbindung von QD-LEDs mit optischen Metamaterialien zu nennen. Von dem Vorhaben werden wesentliche neue wissenschaftliche und technologische Ergebnisse erwartet, die in internationalen Fachzeitschriften, sowie auf internationalen Konferenzen und Messen präsentiert werden sollen. Nach erfolgreichem Abschluss des Vorhabens sollen zudem öffentlich geförderte Verbundprojekte mit Industriebeteiligung beantragt werden, um konkrete Anwendungsfälle für die QD-Metamaterial-LEDs zu evaluieren

Optimierung von kolloidalen QD-LEDs durch optische Strahlformung mittels optischer Metamaterialien (Quelle: Technische Universität Chemnitz, Zentrum für Mikrotechnologien