Forschung AG Muckel
Die Entwicklung flexibler optoelektronischer Systeme als Weiterentwicklung von rigiden Bauteilen eröffnet vielseitige neue Anwendungsmöglichkeiten, etwa in der Medizintechnik, im Bereich Wearables oder in der Unterhaltungselektronik. Ihre Biegsamkeit ermöglicht die Integration auf unregelmäßigen Oberflächen wie Kleidung oder direkt auf der Haut, was den Komfort für tragbare Anwendungen erhöht. Sie sind zudem leicht und dünn, ideal für Geräte mit begrenztem Platz oder Gewicht. Durch einfache, kostengünstige Herstellungsmethoden etwa aus der Lösung lässt sich flexible Optoelektronik effizient produzieren, was neue, innovative Anwendungsfelder eröffnet. Herkömmliche flexible Bauteile bestehen aus organischen Halbleitern, die zwar ein hohes Maß an mechanischer Flexibilität aufweisen, dabei jedoch Defizite in der elektrischen Beweglichkeit und der Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen aufweisen. Die Vision der AG Muckel ist es, diese Materialien durch flexible anorganische Halbleiter zu ersetzen, die eine höhere Stabilität gegen Alterungsprozesse sowie aufgrund höherer elektronischer Beweglichkeit bessere Bauelementeffizienzen versprechen. Dabei setzt die Gruppe insbesondere auf 2D Materialien, metall-halogenide Perowskite und kolloidale Nanokristalle, die sie in lichtemittierende Bauteile (LEDs) und Photodetektoren einsetzt.
Die Forschungsaktivitäten lassen sich in zwei Bereich gliedern:
Perowskit Bauteile für energieeffiziente schmalbandige optoelektronische Systeme
Die Verwendung spezifischer Wellenlängen bietet insbesondere in optoelektronischen Systemen, in denen Informationen gewonnen und transferiert werden, entscheidende Vorteile. Da sie nur auf einen engen Wellenlängenbereich reagieren, werden Störungen von unerwünschtem Licht effektiv minimieren und eine höhere Präzision und Signalqualität gewährleistet. Dies ermöglich außerdem eine energieeffizienteren Einsatz, da die Systeme bei kleineren Leistungen arbeiten können. Anwendungsfelder sind neben der Bildgebung und Datenübertragung insbesondere optische Sensorik für die medizinische Diagnostik oder maschinellem Sehen für die industrielle Automatisierung.
Ein vielversprechende Materialklasse für die Umsetzung von schmalbandigen optoelektronischen Systemen sind metall-halogenide Perowskite. In diesen aus der Lösung prozessierbaren Materialien können als Dünnschichten in flexiblen Bauteilen verwendet werden, während ihre optoelektronischen Eigenschaften sich über die Zusammensetzung bestimmen lässt. Aufgrund ihrer Bandstruktur mit hohen Zustandsdichten an der Bandlücke zeigen Perowskite sehr schmale Emission im Bereich von < 30 nm, was sie sowohl für Sensorik als auch für farbechte Displays interessant macht. Bei Zugabe von voluminösen Ionen wandelt sich die Kristallstruktur um, so dass sich in der Schicht selbstorganissiert zweidimensionale Multi-Quantenschichten bilden. Diese sogenannten 2D Perowskite verfügen über hohe Exzitonenbindungsenergien bis zu > 300 meV, weshalb sie über definierte Absorptionsresonanzen verfügen, die wiederum interessant für die Verwendung als direkter Absorber in schmalbandigen Photodetektoren sind. Die AG Muckel entwickelt basierend auf den vielfältigen Möglichkeiten der Perowskit-Synthese schmalbandige LEDS und Photodetektoren.
Flexibel 2D Photodetektoren für medizintechnische Anwendungen
Flexible Sensorik bieten in der Medizintechnik vielfältige Vorteile in Form von tragbaren oder patientennahen Anwendungen. Da sie sich an die Körperkonturen anpassen, ermöglichen sie eine komfortable und unauffällige Überwachung von Vitalparametern wie Herzfrequenz, Körpertemperatur oder Sauerstoffsättigung. Ihre Flexibilität und Dünnheit machen sie ideal für dauerhaften Hautkontakt, wodurch kontinuierliche, präzise Messungen, insbesondere bei Patienten in Maximalpflege, erlauben.
2D Materialien bestehend aus nur einer bzw. wenigen Atom- bzw- Moleküllage kombinieren auf einzigartige Weise eine Vielzahl an Eigenschaften, die sie für den Einsatz in flexiblen Photodetektoren prädestinieren: Dank ihrer atomaren Dünne sind sie extrem flexibel und lassen sich ohne Einbußen bei der Leistungsfähigkeit in biegsame Substrate integrieren. Trotz ihrer geringen Dicke bieten sie hervorragende elektronische Beweglichkeiten und reagieren in ihrer Leitfähigkeit extrem empfindlich auf Licht. Zusätzlich sind die wichtigsten 2D Verbindungen biokompatibel. Die hervorragenden Materialeigenschaften spiegelt sich auch in effizienten Proof-of-Concept Bauteilen in der Literatur wider, die jedoch meist auf mechanisch exfolierten 2D schichten basieren. Mittlerweile lassen sich die gängigen halbleitenden 2D Materialien auch in skalierbaren Methoden (MOCVD, CVD, chemische Exfoliation) herstellen. Ziel der AG Muckel ist es, basierend auf diesen 2D Materialien aus industrierelevanter Herstellung großflächige und skalierbare Bauelementarchitekturen für flexible Photodetektoren zu entwickeln und damit die nächsten Schritte Richtung aktuellen Anwendungen zu gehen.