Home | Kontakt | Impressum | ÜbersichtDeutschEnglish
NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Dienstag, 16. Januar 2018

Die neue Generation ultradünner Feuchtigkeitssensoren

Photonische Kristalle

Synthese photonischer Kristalle. Bild: K. Szendrei-Temesi

Synthese photonischer Kristalle. Bild: K. Szendrei-Temesi

Neue photonische Kristalle, die nur aus wenigen 2D-Nanofolien und Nanopartikeln oder zwei alternierenden Nanofolien-Materialien bestehen, stellen eine neue Generation ultradünner Feuchtigkeitssensoren dar. Die Gruppe um NIM-Chemikerin Prof. Dr. Bettina Lotsch hat ein funktionales kolorimetrisches Sensormaterial mit erhöhter Sensitivität und optischen Qualtität bei reduzierten Produktionskosten entwickelt.

Diese neuartigen Feuchtesensoren sind aus mehrschichtigen Nanostrukturen aufgebaut, welche periodisch angeordnet sind, und bestehen aus feuchteempfindlichen 2D-Nanosfolien mit einem extrem hohen Brechungsindex (englisch: refractive index, RI) als aktivem Bestandteil. Die drei neu präsentierten Sensoren für die Messung von Luftfeuchtigkeit bestehen entweder aus Nanofolien (englisch: nanosheets, NSs) und Nanopartikeln (NPs), oder aus zwei verschiedenen Nano-Materialien, und wurden von Professor Öffnet externen Link in neuem FensterBettina Lotsch und ihren Kollegen entwickelt.
Diese photonischen Kristalle besitzen exzellente optische und sensorische Eigenschaften, gegeben durch die ausgeprägten Quelleigenschaften und den hohen Brechungsindexkontrast innerhalb der Struktur. „Es ist beeindruckend, dass das Aufeinanderschichten von nur fünf oder sieben Schichten von Nanofolien und Nanopartikeln auf einem Glasträger schon ausreichen, um funktionale Feuchtigkeitssensoren herzustellen, die in ihren optischen und sensorischen Eigenschaften mit kommerziellen Systemen vergleichbar sind.”, berichtet Katalin Szendrei-Temesi, die Erstautorin der Publikation in Öffnet externen Link in neuem FensterAdvanced Functional Materials, begeistert. „Solche ultradünnen Designs führen zu reduzierten Material- und Produktionskosten verglichen mit Sensoren von höherer Schichtdicke.“

Farbveränderung für veränderte Luftfeuchte
Durch die Aufnahme von Wasserdampf schwellen die Nanofolien an und die Farbe des photonischen Kristalls verändert sich entsprechend zur Veränderung der Schichtdicke. Das System ist vergleichbar mit Blätterteig, je mehr Wassermoleküle sich in den Lithiumzinnsulfid (englisch: lithium tin sulfide, LTS)-Nanofolien-Schichten einlagern, desto dicker wird der Sensor.
Ein Teil des eingestrahlten Lichts wird von den photonischen Kristallen reflektiert: hierbei dienen die Nanopartikel-Schichten, z.B. aus Titandioxid-(TiO2)- oder Siliziumdioxid-(SiO2)-NPs, oder anderen Nanofolien-Materialien wie Schicht-Antimonphosphat (H3Sb3P2O14), als Kontrastmittel in der Schichtstruktur. Durch physikalische Phänomene wie Beugung und Reflexion entsteht strukturelle Farbe. Die Wellenlänge des reflektierten Lichts hängt hierbei von Schichtdicke und RI der Nanofolien ab. Auch der Funktionsmechanismus des Sensors wurde mit theoretischen Rechnungen aufgeklärt: die Farbveränderung entsteht größtenteils durch das Aufschwellen der Nanofolien nach Wasseraufnahme. Mit Hilfe von Simulationen können die Sensordicke und die entsprechende strukturelle Farbe akkurat vorhergesagt werden.
Zusätzlich sind diese farbkodierten Feuchtigkeitssensoren mit unter 10 Sekunden Reaktionszeit (7.0 Sekunden NS-NP-Kristalle / 9.2 Sekunden NS-NS-Kristalle), und nur 1.1 Sekunden (NS-NP-Kristalle) bzw. 2.4 Sekunden (NS-NS-Kristalle) Regenerationszeit sehr schnell im Vergleich zu anderen Sensorsystemen.

Sensoren aus Nanofolien und Nanopartikeln
Neu an den auf Titandioxid basierenden photonischen Kristallen ist die Tatsache, dass die TiO2 Nanopartikel, typischerweise als Material mit hohem Brechungsindex eingesetzt, als Komponente mit dem niedrigen Brechungsindex benutzt werden. Stattdessen sind in diesen Kristallen die LTS 2D-Nanofolien der Bestandteil mit noch höherem Brechungsindex.
Generell werden Titandioxid-Nanopartikel in photonischen Kristallen wegen ihres hohen Brechungsindex´ und der charakteristischen Transparenz der entstehenden Sensoren verwendet. Die hier entstandenen photonischen Kristalle aus porösen TiO2-NPs und LTS NSs sind ebenfalls hoch-transparente Dünnfilme für die potentielle Anwendungsmöglichkeit Geräten, die diese hohe Reflexion in bestimmten Spektralbereichen benötigen.

Die Verwendung von in großer Menge vorhandenen, und leicht zu verarbeitenden, Silizium-Nanopartikeln in photonischen Kristallen ist ebenfalls ein etabliertes Verfahren. Im zweiten gezeigten System ist die Kombination von SiO2NPs, meist als Material mit niedrigem Brechungsindex verwendet, mit den LTS-NSs mit ihrem ultrahohen Brechungsindex eine bahnbrechende Neuerung.
“Trotz ihrer ungewöhnlichen Zusammensetzung haben diese photonischen Kristalle eine fantastische Qualität, die beste die für eine solche Struktur jemals erreicht wurde. Das liegt an dem hohen Brechungsindex-Kontrast.” erklärt Lotsch. “Dadurch konnten wir die Sensordicke stark reduzieren, so sind die optischen Eigenschaften unserer photonischen Kristalle aus nur zwei Schichten SiO2-Nanopartikeln und drei Schichten LTS-Nanosheets absolut vergleichbar mit den Ergebnissen von Standard-SiO2-TiO2-Systemen, die normalerweise 12 Schichten enthalten.”

Ultradünne und robuste photonische Kristalle aus 2D-Material
Die beiden ausgewählten Arten von 2D-Nanofolien-Materialien, LTS- und H3Sb3P2O14-Nanofolien, können anschwellen, sobald sie erhöhter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt werden. Die Kombination beider Materialien in einem photonischen Kristall-System führt damit zu einem vielversprechenden Kandidaten hochsensitiver Feuchtigkeitssensoren, da durch die Schwellung beider Materialien die Signaländerungen größer werden.
Mit steigender Luftfeuchtigkeit nimmt die Reflexionsintensität der Sensoren drastisch ab, da sich die RI-Werte durch die Wassereinlagerung angleichen. Bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit verschwindet der RI Kontrast gänzlich und der Sensor wird transparent. Diese Analyt-induzierte Schaltung der Transparenz ist selten und schwierig durch Wahl und Zusammensetzung des Sensormaterials einzustellen.
Zusätzlich sichert die Kombination der beiden flexiblen Nanofolien-Materialien in den ultradünnen photonischen Kristallen eine höhere Stabilität verglichen mit solchen aus organischen Materialien. Auch ist ihre Dicke mit deutlich unter einem Mikron und nur wenigen Schichten im Vergleich zu ähnlichen Systemen um 60 % verringert.

Publikation:
Lithium tin sulfide – a high-refractive-index 2D material for humidity-responsive Photonic Crystals. Szendrei-Temesi K, Sanchez-Sobrado O, Betzler S, Durner KM, Holzmann T, Lotsch BV. doi: Öffnet externen Link in neuem Fenster10.1002/adfm.201705740

Kontakt:
Prof. Dr. Bettina Valeska Lotsch
Department Chemie
Ludwig-Maximilians-Universität München
Butenandtstr. 5-13, Haus D
D - 81377 München

Tel: +49 (0)89 2180 - 77429

Email: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailbettina.lotsch(at)cup.uni-muenchen.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.cup.uni-muenchen.de/ac/lotsch/prof-lotsch.html

Prof. Dr. Bettina Lotsch
Nanochemie
Max-Planck-Institut für Festkörperfoschung
Heisenbergstr. 1
D - 70569 Stuttgart

Tel: +49 (0)711 689 - 1610

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.fkf.mpg.de/171964/Prof_Dr_Bettina_V_Lotsch

PRESSE-KONTAKT

Über NIM:

Dr. Peter Sonntag
Geschäftsführer

Tel.: +49 (89) 2180 6794

Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailpeter.sonntag(at)lmu.de 

 

Über Wissenschaft:

Isabella Almstätter
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Tel: +49 (89) 2180 5091

Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailisabella.almstaetter(at)physik.uni-muenchen.de

 

 

drucken nach oben