DE102008016552B4

DE102008016552B4 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE102008016552B4
Application number: DE102008016552.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schwotzer Günter; Hartmut Lehmann; Torsten Wieduwilt; Stephan Grimm; Claudia Aichele; Thomas Stelzner; Andrea Csaki; Prof. Dr. Willsch Reinhard
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: DE102008016552A1

Abstract

Optischer Sensor (1) mit einem optisch transparenten Trägerelement (2) und wenigstens einem daran angeordneten Nanodraht (3) aus einem dielektrischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanodraht (3) in einem Spektralbereich ausgehend vom nahen UV- bis zum nahen IR-Bereich optisch transparent ist, so dass der gesamte Sensor (1) von Anregungslicht durchlaufbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit einem Trägerelement und wenigstens einem daran angeordneten Nanodraht sowie ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors, bei dem zunächst eine Schablone auf zumindest einen Teil der Trägerelementoberfläche und anschließend ein Halbleitermaterial auf die mit der Schablone versehenen Trägerelementoberfläche aufgebracht wird.
Gattungsgemäße optische Sensoren weisen zur Erhöhung der Empfindlichkeit eine vergrößerte sensorisch wirksame Oberfläche auf, welche mit einem zu untersuchenden Analyten in Form einer Flüssigkeit oder eines Gases wechselwirkt, wodurch eine Änderung des optischen Signals solcher Sensoren erzeugt wird, welches Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Analyten erlaubt. Die Erhöhung der Empfindlichkeit eines solchen Sensors wird durch eine Funktionalisierung/Sensibilisierung der Sensoroberfläche durch das Aufbringen einer funktionalisierenden chemischen oder biologischen Substanz in Form von Einzelmolekülen oder Molekülschichten, beispielsweise eines Indikatorfarbstoffes, eines DNA-Oligonukleotids, eines Proteins, eines Liganden oder eines Enzyms auf die Sensoroberfläche erzeugt, wobei sich die Empfindlichkeit des Sensors mit der Menge der an der Sensoroberfläche angeordneten funktionalisierenden Substanz erhöht. Duch eine Vergrößerung der sensorisch wirksamen Sensoroberfläche kann mehr funktionalisierende Substanz an dem Sensor angeordnet werden, wodurch folglich ein Sensor mit hoher Empfindlichkeit bereitgestellt werden kann.
Zur Vergrößerung der sensorisch wirksamen Sensoroberfläche ist es beispielsweise bekannt, einen Sensor aus porösem Material zu verwenden oder die Sensoroberfläche mit einer porösen Substanz zu beschichten. Durch diese Porenstruktur weisen solche Sensoren eine für die Funktionalisierung vergrößerte sensorisch wirksame Oberfläche auf, an welcher eine funktionalisierende Substanz gebunden werden kann.
Bei optischen Sensoren, für die keine optische Transparenz der sensorisch wirksamen Oberfläche gefordert wird, können beispielsweise poröses Korund oder poröses Silizium in Form von bulk-Material oder als Schicht auf einer Sensoroberfläche für die Ankopplung der Indikatormoleküle verwendet werden. Nachteilig bei der Verwendung von porösen Schichten oder Materialien für Sensoren ist, dass die Porenstruktur der sensorisch wirksamen Sensoroberfläche eine schlechte Zugänglichkeit bezüglich der Funktionalisierung mit Indikatormolekülen aufweist, was sich zudem negativ auf die Wechselwirkung der Sensoroberfläche mit den Molekülen eines zu untersuchenden Analyten auswirkt.
Wesentlich vorteilhafter ist die Verwendung einer offenen Oberflächenstruktur durch Anordnung von Nanodrähten auf der Sensoroberfläche. Das große Aspektverhältnis (Länge zu Durchmesser) von Nanodrähten, als optimale Voraussetzung für eine Funktionalisierung mit chemischen und biologischen Substanzen, wird im Schrifttum seit einigen Jahren beschrieben. Ihre Verwendung für Sensoren beschränkte sich aber bisher auf elektrisch basierte Prinzipien. Dabei wird wenigstens ein Nanodraht aus Halbleitermaterial, vorwiegend aber aus dotiertem Silizium, in einer Feld-Effekt-Transistor-(FET)-Anordnung verwendet, wobei die Eigenschaft ausgenutzt wird, dass sich Oberflächenladungen und damit die Leitfähigkeit der Nanodrähte unter dem Einfluss des Analyten ändern.
Eine weitere Anwendung der vorbeschriebenen offenen Oberflächenstrukturen unter Verwendung von an einer Sensoroberfläche angeordneten Nanodrähten ist der Einsatz in Analysesystemen, welche auf SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) basieren. Beispielsweise offenbart die US-Patentanmeldung 2006/0038990 A1 ein SERS-Analysesystem, welches einen SERS-Sensor verwendet, der auf einem optischen Substrat angeordnete, chemisch funktionalisierte Nanodrähte aufweist. Mittels dieses SERS-Sensors kann beispielsweise eine Anregung der Nanodrähte durch eine Anregungslichtquelle erfolgen, wobei das Licht durch das optische Substrat zu den Nanodrähten geleitet werden kann. Die dadurch angeregten Nanodrähte erzeugen eine Vibration der funktionalisierenden Moleküle, welche daraufhin eine versetzte Raman-Strahlung abgeben, welche zur weiteren Auswertung detektiert werden kann. Ein weiterer SERS-Sensor mit SERS-aktiver Oberflächenstruktur ist aus der US-Patentanmeldung 2006/0146323 A1 bekannt, bei der die Nanodrähte jeweils mit einem Ende auf einem Substrat befestigt sind und an dem jeweils anderen Ende ein SERS-aktives Material aufweisen, welches sich von dem Material der Nanodrähte unterscheidet. Die SERS-aktiven Enden der Nanodrähte können entsprechend funktionalisiert sein.
Die Schrift von Xiaohong An, et. el.: SiO₂ Nanowires Growing on Hexagonally Arranged Circular Patterns Surrounded by TiO₂ Films. In: J. Phys. Chem. B 2006, 110, 222–226; 6. Dez. 2005 lehrt, dass für die Synthese von neuartigen Verbundarchitekturen ein effektiver Ansatz existiert, in dem SiO₂-Nanodrähte auf sechseckig angeordneten Kreismustern wachsen, die von TiO₂-Filmen auf Si-Substrat umgeben sind. Zuerst wird dazu eine Lösung-Tauch-Schablonenstrategie verwendet, um TiO₂-Filme mit hexagonal angeordneten Poren auf einem Au-beschichteten Si-Substrat zu erzeugen, was zu sechseckig angeordneten kreisförmigen Mustern von Katalysatoren führt, die von TiO₂-Filmen umgeben sind. Danach führen die gemusterten Katalysatoren zum Wachstum von SiO₂-Nanodrähte mit den ursprünglichen TiO₂-Filmen, die erhalten werden, wobei die Verbundstrukturen verwirklicht werden. Solche Verbundarchitekturen kombinieren die Photolumineszenz-Eigenschaften der beiden Komponenten und stellen auch eine günstigere photolumineszenz-Eigenschaft dar und legen eine Grundlage für zukünftige fortschrittliche nano-optoelektronische Bauelemente.
Die Publikation von Ki-Hong Lee, et. al.: Direct growth of amorphous silica nanowires by solid state tranformation of SiO₂ films. In: Chemical Physics Letters 383 (2004) 380–384, 5. Dez. 2003 lehrt amorphe Siliciumdioxid-Nanodrähte, welche durch direkte Festkörpertransformation aus Siliciumdioxidfilmen hergestellt werden. Dabei wachsen Kieselsäure-Nanodrähte bei einer Temperatur von 1050°C auf TiN/Ni/SiO₂/Si-Substraten während des Glühens in H₂ oder einer H₂:CH₄-Mischung auf. Dabei wird Titannitrid-Folien verwendet, um eine Festkörperreaktion mit Siliciumdioxid-Filmen auf Silicium-Wafern zu induzieren, um Siliciumatome wachsen zu lassen. Die Titannitrid-Schichten induzieren hierbei die Diffusion von Silizium und Sauerstoff zu der Oberfläche durch einen in den Filmen eingebauten Spannungsgradienten.
Die Schrift von Praveen Kumar Sekhar, et al.: Slective growth of silica nanowires in silicon catalysed by Pt thin film. In: Nanotechnology 17 (2006) 4606–4613; 29. Aug. 2006 lehrt das selektive Wachstum von amorphen Siliciumdioxid-Nanodrähten auf einem mit Pt-Dünnfilm welches auf einem Siliciumwafer abgeschieden wird. Die Nanodrähte wachsen dabei mit einem Durchmesser von 50 bis 500 nm. Diese nach oben gewachsenen Nanodrähte zeigen unter Anregung eine Photolumineszenz mit einer stabilen Emission von blauem Licht bei 430 nm. Die Veränderung der Saatschichtdicke der Pt-Folie von 2 bis 100 nm führt dabei dazu, dass eine über 10 nm dicke kontinuierliche Schicht aus Pt₂Si auf der Oberfläche entsteht, was das Wachstum von Nanodrähten hemmt. Die Selektivität zur Pt-Dicke wird ausgenutzt, um Bereiche von Nanodrähten zu erzeugen, die gleichzeitig mit Silizid (Pt₂Si) in einer einzigen Ofenbehandlung verbunden werden. Dieser neuartige Ansatz hat die Gateways für die Realisierung von Hybrid-Verbindungen in Silizium für verschiedene nano-optische Anwendungen, wie bspw. die Herstellung niederdimensionaler Wellenleiter für die funktionelle Mikrophotonik, Scan-Nahfeldmikroskopie und Nano-Antennen geöffnet.
Ki-Hong Lee, et. al.: Amorphous silica nanowires grown by the vaporsolid mechanism, In: Chemical Physics Letters 376 (2003) 498–503, 9. July 2003 offenbart Siliciumdioxid-Nanodrähte, welche unter Verwendung von Siliciumdioxid-Nanopartikeln als Wachstumskatalysator bei 1050°C unter dem Einfluss eines Gemisches aus CH₄ und H₂ synthetisiert wurden. Die Siliciumdioxid-Nanopartikel liefern dabei Silizium- und Sauerstoff-Atome für die Bildung der Nanodrähte und dienen gleichzeitig als Wachstumsort.
Somit offenbaren die zuvor stehenden vier Schriften u. a. Vorrichtungen mit einem optisch transparenten Trägerelement und wenigstens einem daran angeordneten Nanodraht aus einem dielektrischen Material.
Der Nachteil dieser technischen Lösungen und der Nachteil der darauf basierenden Sensoren liegt darin, dass die Nanodrähte, welche aus einem dielektrischen Material bestehen, optisch nicht transparent sind, was dazu führt, dass sie (und damit der gesamte Sensor) nicht in einem Spektralbereich vom nahen UV- bis zum nahen IR-Bereich von Anregungslicht durchlaufen werden können. Damit sind diese technischen Lösungen für die Schaffung optischer Sensoren für optische Untersuchungen von Analyten ungeeignet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen optischen Sensor anzugeben, der für optische Untersuchungen von Analyten einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen optischen Sensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß besteht der wenigstens eine Nanodraht aus einem dielektrischen Material. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Nanodraht in einem Spektralbereich ausgehend vom NUV(nahen UV)- bis zum NIR(nahen IR)-Bereich optisch transparent ist. Wird zudem für das Trägerelement ein optisch transparentes Material, wie beispielsweise ein Glassubstrat, gewählt, so ist der gesamte Sensor optisch transparent und es kann beispielsweise eine Untersuchung eines Analyten erfolgen, bei der ein Anregungslicht auf einer Seite des Sensors in diesen eintritt, ihn durchläuft und auf der anderen Seite des Sensors detektiert wird, was bei Sensoren aus dem Stand der Technik unmöglich ist und daher eine sehr hohe Flexibilität bezüglich des Einsatzes eines erfindungsgemäßen Sensors in der Praxis bedeutet.
Im Rahmen der Erfindung können ebenso mehrere Nanodrähte an dem Trägerelement angeordnet sein, wobei sich die Anzahl der Nanodrähte an dem jeweiligen Einsatzzweck des entsprechenden Sensors orientieren kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Nanodraht/den Nanodrähten um gewachsene Festkörperstrukturen mit Durchmessern von etwa 10 nm bis einigen 100 nm und mit Längen von etwa 1 μm bis zu einigen Mikrometern. Sie werden bevorzugt aus einkristallinem Silizium gebildet, und nachträglich durch thermische Oxidation zu amorphem Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, umgewandelt, um im NUV- bis NIR-Spektralbereich transparente Nanodrähte zu erzeugen. Der Nanodraht/die Nanodrähte besitzt/besitzen zwei Enden, von denen ein Ende entsprechend eines Wachstumsprozesses auf der Oberfläche des Trägerelementes mit diesem verbunden ist. Mehrere Nanodrähte sind beispielsweise in Abständen untereinander von einigen 10 nm bis zu wenigen Mikrometern auf der Trägerelementoberfläche angeordnet. Der Abstand der Nanodrähte untereinander kann definiert (periodische Anordnung) oder auch völlig willkürlich (zufällig) sein. Die Form des Nanodrahtes/der Nanodrähte kann beispielsweise gerade, gebogen, verkrümmt oder verwunden sein. Die Ausrichtung des Nanodrahtes/der Nanodrähte in Bezug zur Trägerelementoberfläche kann senkrecht, unter definiertem Winkel oder zufällig ausgebildet sein. Voraussetzung für die Ausrichtung unter einem bestimmten einheitlichen Winkel zur Trägerelementoberfläche ist, dass die für das Wachstum maßgebliche Oberfläche (Wachstumsunterlage) eine einheitliche Kristallorientierung (Einkristallinität) besitzt und die Gitterkonstante dieser Kristallstruktur die Voraussetzung für ein epitaktischen Wachstumsprozess einkristalliner Nanodrähte bietet. Eine solche Ausführungsform ist beispielsweise dadurch erreichbar, dass mittels des VLS(vapor liquid solid)-Verfahrens Silizium-Nanodrähte auf einer einkristallinen Siliziumoberfläche wachsen. Für ein einheitliches Wachstum von Silizium-Nanodrähten in die der Kristallorientierung entsprechenden Raumrichtungen ist eine weitere Voraussetzung, dass sich auf der Siliziumoberfläche kein natives Oxid befindet.
Eine Ausführungsform von senkrecht zu der Trägerelementoberfläche angeordneten Silizium-Nanodrähten kann erreicht werden, indem mittels des Molekularstrahl-Epitaxie-Verfahrens (MBE, molecular beam epitaxy) auf einer (111)-Silizium-Oberfläche Silizium-Nanodrähte in [111]-Richtung wachsen. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass das Wachstum in <111>-Richtung, gegenüber den <100>- und <110>-Richtungen, energetisch begünstigt ist. Zwar wachsen auch Nanodrähte in die Richtungen [-111], [1-11] und [-1-11], diese sind aber infolge ihres flachen Wachstumswinkels zur Oberfläche sowie der Ausbildung einer 2D-Siliziumschicht auf der Trägerelementoberfläche nicht sichtbar, da sie in die 2D-Schicht eingebettet sind.
Da ein Trägerelement aus einkristallinem Silizium, beispielsweise in Form eines Siliziumwafers, der Forderung nach Transparenz im NUV- bis NIR-Spektralbereich nicht genügt und auch eine thermische Oxidation des Siliziums bereits im Dickenbereich von einigen Mikrometern beträchtlichen technologischen und zeitlichen Aufwand erfordert, kann beispielsweise eine geeignet dünne einkristalline oder auch polykristalline Siliziumschicht, welche nach Abschluß des Nanodraht-Wachstumsprozesses thermisch oxidiert werden kann, auf einem die geforderte Transparenz bietenden Trägerelement angeordnet werden. Eine weitere Möglichkeit eines epitaktischen Wachstums von einkristallinen Si-Nanoschichten auf einem im NUV-NIR-Spektralbereich transparenten Trägersubstrat zu erreichen, wird durch eine transparente einkristalline Cer(IV)-oxid-Schicht (CeO₂) auf einem Saphir-Substrat (Al₂O₃, R-Schnitt) erreicht.
Unter Verwendung des VLS-Verfahrens zur Herstellung der Nanodrähte kann mittels geeigneter Strukturierungstechniken (lithografische Verfahren) eine geordnete, periodische Anordnung der Nanodrähte auf der Trägerelementoberfläche realisiert werden.
Als optischer Sensor kann beispielsweise ein auch im NUV- bis NIR-Spektralbereich optisch transparentes, planares Trägerelement mit Nanodrähten, eine Lichtleitfaser mit auf der Faserstirnfläche der Lichtleitfaser angeordneten Nanodrähten, eine Lichtleitfaser mit auf ihrer zylindrischen Oberfläche angeordneten Nanoschichten, eine zu einer Spitze verjüngt ausgebildete Lichtleitfaser mit auf der Mantelfläche im Bereich der Spitze angeordneten Nanodrähten oder ein planares Trägerelement mit optisch transparenter Schicht, an der die Nanodrähte angeordnet sind, verwendet werden.
Wird für das Trägerelement ein optisch transparentes Material gewählt, wobei die Nanodrähte im NUV- bis NIR-Spektralbereich optisch transparent sind, ist eine optische Abfrage der Wechselwirkung zwischen Analyt und funktionalisierten Nanodrähten von der Trägerelementseite des Sensors, sowohl für die optische Anregung, als auch die optische Detektion möglich, was für den Aufbau sehr kompakter Sensoren von großem Vorteil ist. Bei nicht optisch transparenten Trägerelementen ist die Anregung und Detektion nur über die Analytseite möglich, was nicht nur einen kompakten Sensoraufbau verhindert, sondern sich auch nachteilig bei trüben oder streuenden Analyten auswirkt. Der Einsatz transparenter Trägerelemente gewährleistet zudem das Aufbringen von Filterschichten auf einem Trägerelement, um zum Beispiel das Anregungslicht bei der Detektion eines Fluoreszenzlichtes zu unterdrücken.
Zur Untersuchung eines bestimmten Analyten, wird die durch die Oberfläche der Nanodrähte und die zwischen den Nanodrähten befindlichen Bereiche der Trägerelementoberfläche gebildete sensorisch wirksame Oberfläche mit chemischen oder biologischen Substanzen funktionalisiert, wobei die Art der funktionalisierenden Substanz an den jeweiligen Anwendungszweck des Sensors angepasst werden und die Funktionalisierung der Trägerelementoberfläche beispielsweise bereichsweise mit verschiedenen Substanzen erfolgen kann, um auch einen Analyten mit mehreren verschiedenen Komponenten mit einem einzigen Sensor untersuchen zu können.
Folgende beispielhafte Funktionalisierungen/Sensibilisierungen der sensorisch wirksamen Oberfläche und sich daraus ergebende Wechselwirkungen sind möglich:

• Sensibilisierung mit Fluoreszenz-Farbstoff-Molekülen, beispielsweise zur Messung des pH-Wertes eines Analyten
• Sensibilisierung mit Fluoreszenz-Farbstoff zum Nachweis von Gasen und Dämpfen (bspw. O₂, CO₂, NH₃)
• Sensibilisierung mit mit Fluoreszenz-Farbstoff zum Analyt-Nachweis in Flüssigkeiten (bspw. SO₃ über Fluoreszenzlöschung)
• Sensibilisierung mit DNA-Fängermolekülen zur Detektion von Analyt-DNA über fluoreszenzmarkierte Analyt-DNA-Bindungsreaktionen
• Sensibilisierung mit Proteinen zum Nachweis von Antikörper(Immungluboline)/Antigen(Immunogen)-Reaktionen
• Sensibilisierung mit Liganden zum Nachweis fluoreszenzmarkierter Analyten

Zweckmäßigerweise sind die funktionalisierenden Moleküle kovalent an die sensorisch wirksame Oberfläche gebunden.
Für die oben genannten Wechselwirkungsmechanismen kommen beispielsweise folgende Messmethoden in Frage:

– Absorption, Transmission, Streuung, Reflexion/Remission
– Fluoreszenzanregung und Quantifizierung des Fluoreszenzsignals
– spektrale Auswertung oder Intensitätsauswertung
– Evaneszenz-Feld-Wechselwirkung
– Optisch plasmonische Wechselwirkungen

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das dielektrische Material ein Siliziumoxid, vorzugsweise Siliziumdioxid, ist. Insbesondere die Verwendung von Siliziumdioxid für die Nanodrähte bringt die gewünschte Transparenz der Nanodrähte in dem NUV- bis NIR-Spektralbereich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Trägerelement aus Silizium (Si), Quarzglas (SiO₂) oder Saphir (Al₂O₃, R-Schnitt). Welches dieser Materialien für das Trägerelement verwendet wird, hängt von der jeweiligen Ausgestaltung des Sensors ab. Ist beispielsweise neben der Transparanz der Nanodrähte in dem genannten Bereich auch die Transparenz des Trägerelementes gefordert, ist es vorteilhaft, für das Trägerelement statt Silizium Quarzglas oder andere hochtemperaturfeste Gläser oder Kristalle, wie beispielsweise Saphir, zu verwenden. Hochtemperaturfeste Materialien, wie etwa Quarzglas oder Saphir, sind zudem beständig gegenüber der Oxidationstemperatur von etwa 900°C bei der thermischen Oxidation der Nanodrähte. Besonders bevorzugt finden solche Materialien Anwendung, die sowohl die spektrale Transmission in dem genannten Spektralbereich, als auch eine für das epitaktische Wachstum günstige Kristallstruktur besitzen. Wie bereits zuvor stehend ausgeführt, bietet sich hierfür die Kombination einer dünnen (wenige 10 nm) und damit transparenten einkristallinen Cer(IV)-oxid-Schicht auf einem dünnen Saphir-Trägersubstrat (R-Schnitt) an. Die Cer(IV)-oxid-Schicht bietet mit ihrer kubischen Kristallstruktur die Voraussetzung für einen epitaktischen Wachstumsprozess der Si-Nanodrähte.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Trägerelement und dem wenigstens einen Nanodraht eine optisch transparente Schicht angeordnet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Trägerelement aus Silizium besteht und somit nicht optisch transparent ist. In diesem Fall wird mittels der transparenten Schicht eine Schicht-Wellenleiteranordnung geschaffen, bei welcher das evanescente Feld des in der Wellenleiterschicht geführten Lichtes für die sensorische Wechselwirkung mit dem Analyten genutzt wird.
Ferner besteht die optisch transparente Schicht in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung aus Siliziumdioxid, um die gewünschte optische Transparenz aufzuweisen. Denkbar sind aber auch andere Materialien für die optisch transparente Schicht, welche den jeweiligen Anforderungen an den Sensor gewachsen sind.
Des Weiteren wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors vorgeschlagen, welcher über einen großen Spektralbereich optisch transparent und somit für optische Untersuchungen von Analyten geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors, bei dem zunächst ein Bereitstellen eines Trägerelementes, ein Aufbringen einer Schablone aus geeignetem Schablonenmaterial auf zumindest einen Teil der Trägerelementoberfläche und ein Aufbringen von Halbleitermaterial auf die mit der Schablone versehene Trägerelementoberfläche erfolgen, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Schablonenmaterial nach dem Aufbringen des Halbleitermaterials entfernt und anschließend das Halbleitermaterial oxidiert wird. Durch die Oxidation des Halbleitermaterials wird erreicht, dass dieses in dem NUV- bis NIR-Spektralbereich transparent wird, was sich positiv auf die Anwendungsflexibilität eines entsprechenden Sensors auswirkt.
Die Herstellung von beispielsweise Siliziumdioxid-Nanodrähten basiert zum Beispiel auf der Herstellung von Silizium-Nanodrähten auf einer Trägerelementoberfläche. Für die Erzeugung von Silizium-Nanodrähten bedient man sich zum Beispiel des VLS-Verfahrens. Dazu wird bei hohen Temperaturen ein Gas, welches das Nanodraht-Material (hier Silizium) in atomarer Form, wie etwa Silizium, oder als Bestandteil eines Moleküls (wie z. B. des Silans (SiH₄)) enthält, über eine beispielsweise mit Goldteilchen versehene Trägerelementoberfläche geleitet. Die Goldteilchen bilden eine Schablone mit flachen Inseln, Kügelchen oder kugelähnlichen Ausgestaltungen, welche in zufälliger oder geordneter Verteilung auf der Trägerelementoberfläche angeordnet sein können, was auch als Goldschablone (engl. Goldtamplate) bezeichnet wird. Ihre Abmessungen liegen in der Größenordnung weniger Nanometer bis einige 100 Nanometer. Wird Silizium als Trägerelement verwendet, bilden sich bei Temperaturen oberhalb 370°C (Au/Si-Eutektikum) Legierungs-Schmelztropfen auf der Trägerelementoberfläche, deren flüssige Oberfläche, zum Beispiel bei Verwendung von Silan, als Katalysator zum Aufbrechen des Moleküls dient. Das Ziel ist der Einbau von Siliziumatomen in den Legierungsschmelztropfen. Im weiteren Verlauf werden die Siliziumatome in dem flüssigen Legierungstropfen gelöst, bis es bei Übersättigung zur Keimbildung und letztendlich zur Kristallisation der Siliziumatome kommt. Diese findet bevorzugt an der Grenzfläche flüssig/fest mit dem Ergebnis des Wachstums von Silizium-Nanodrähten statt. Die kristallographische Orientierung der Nanodrähte stimmt hierbei mit der Orientierung der Unterlage überein. Aus jedem Legierungs-Schmelztropfen wachst in der Regel ein Silizium-Nanodraht mit einem Durchmesser ähnlich dem des Legierungs-Schmelztropfendurchmessers.
Um der Forderung nach optischer Tranzparenz der angeordneten Nanodrähte zu genügen, wird mittels thermischer Oxidation eine Strukturumwandlung der zuvor nach dem VLS-Verfahren hergestellten Silizium-Nanodrähte zu Siliziumdioxid-Nanodrähten durchgeführt. Eine derartige Umwandlung der Silizium- in eine Siliziumdioxid-Struktur ist mittels einer Trockenoxidation unter reiner Sauerstoffatmosphäre oder Feuchtoxidation in Gegenwart von Wasserdampf möglich. Durch die Trockenoxidation lassen sich jedoch dichtere und homogenere Oxide als bei der Feuchtoxidation realisieren. Je nach Durchmesser der Silizium-Nanodrähte beläuft sich die Oxidationszeit auf 6 bis 9 Stunden bei einer Prozesstemperatur von 900°C in trockenem Sauerstoff. Ziel ist das Erreichen einer vollständigen Oxidation, ohne Verbleib eines Siliziumrestkerns in einem Nanodraht.
Da jene nach dem VLS-Verfahren hergestellten Silizium-Nanodrähte verfahrensbedingt am trägerelementfernen Ende einen Goldtropfen aufweisen, ist es notwendig, diesen vor der Oxidation zu entfernen. Hierzu wird zunächst die native Oxidhaut auf dem Gold und dem Silizium entfernt, indem das Trägerelement mit den daran angeordneten Silizium-Nanodrähten beispielsweise in 2%-iger Flusssäure für ca. 30 s geätzt wird. Unmittelbar danach kann das Gold mit einer Mischung aus konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter Salzsäure (Mischungsverhältnis 1:3) bei Raumtemperatur vollständig entfernt werden, wobei die Ätzzeit ca. 30 s bis 60 s betragen kann.
Zur Verbesserung des epitaktischen Anwachsens der Silizium-Nanodrähte auf Quarzglasträgerelementoberflächen kann die Trägerelementoberfläche, welche für das Wachstum der Nanodrähte dienen soll, mit einer ca. 400 nm bis 600 nm dicken polykristallinen Siliziumschicht versehen werden. Realisiert werden kann dies durch Laserkristallisation einer auf der Trägerelementoberfläche abgeschiedenen amorphen Siliziumschicht. Diese polykristalline Siliziumoberfläche dient als Unterlage für die Herstellung der Goldschablone. Für die Goldschablonenherstellung auf der polykristallinen Siliziumoberfläche ist es günstig, dass das durch die Laserkristallisation entstandene Siliziumdioxid vor dem Aufbringen der Schablone zu entfernen, was sich vorteilhaft auf das epitaktische Wachstum auswirkt. Nach erfolgtem Wachstum der Nanodrähte kann die polykristalline Siliziumschicht gemeinsam mit den Nanodrähten mittels thermischer Oxidation in Siliziumdioxid umgewandelt werden.
Die Herstellung einer Goldschablone kann nach einer der folgenden Methoden erfolgen:

a) Durch Tempern eines wenige Nanometer (1,5 nm bis 3,5 nm) dicken Goldfilms auf einer Trägerelementoberfläche bei etwa 550°C. Als geeignete Verfahren zur Herstellung definiert dünner Goldschichten sind hierfür bspw. das Sputterverfahren und das Molekularstrahl-Epitaxie-Verfahren zu nennen. Im Fall der Anordnung einer mittels Laserkristallisation hergestellten polykristallinen Siliziumschicht auf einem Quarzglasubstrat als Trägerelement, bilden sich aufgrund der Ausbildung einer eutektischen Au/Si-Schmelze und unter Wirkung oberflächenenergetischer Kräfte (Oberflächenspannung) kugelähnliche Goldstrukturen. Die anfangs weitestgehend kontinuierliche Goldschicht zerfällt sozusagen in Einzeltropfen. Auf einer reinen Quarzglasoberfläche bilden sich dagegen nur flache unregelmäßige Goldinselstrukturen, da hier keine Legierungsschmelze entsteht. In beiden Fällen entsteht eine willkürlich (statistisch) verteilte Goldschablone. Die Größe der erzielten Goldschablone ist nur in sehr geringem Maße durch die anfängliche Goldschichtdicke beeinflussbar. Ausgehend von diesen Schablonen wachsen Nanodrähte mit einer breiten Durchmesserverteilung.
b) Abscheiden von Goldnanopartikeln mit definiertem einheitlichem Durchmesser etwa im Bereich von 10 nm bis 100 nm aus einer Goldkolloidlösung, auf die Oberfläche eines Quarzglasträgerelementes mit oder ohne polykristalline Siliziumschicht. Dadurch entsteht eine willkürlich (statistisch) ausgebildete Goldschablone. Um die Kopplung der Goldnanopartikel zur Trägerelementoberfläche zu verbessern, kann die Trägerelementoberfläche zuvor mit speziellen cross-linker-Molekülen (z. B. 3-Aminopropyltriethoxysilan oder mit Poly-L-Lysin) aktiviert werden, an welchen die Goldnanopartikel chemisch oder elektrostatischankoppeln. Die Belegungsdichte kann durch die Konzentration der verwendeten Kolloidlösung beeinflusst werden. Die Durchmesserverteilung der Nanodrähte ist enger im Vergleich zu den Nanodrähten erzeugt durch getemperte Goldfilme.
c) Herstellung von in ihrer Gestalt regelmäßig, als auch periodisch geordneten Goldstrukturen mittels Strukturierung (Elektronenstrahllithographie) einer auf einer Trägerelementoberfläche zuvor nach den in a) benannten Verfahren abgeschiedenen Goldschicht. Die Größe der Goldstrukturen, als auch die Strukturperiode ist frei wählbar. Es kann hiermit ein sehr einheitlicher Durchmesser und Abstand der Nanodrähte erzeugt werden.
d) Die Herstellung von Goldschichten mittels Molekularstrahl-Epitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) besitzt gegenüber Sputtern, CVD oder galvanischer Abscheidung den entscheidenden Vorteil, dass das notwendige Entfernen von nativen Oxidschichten (z. B. durch einen Trocken-Ätzprozess) und die Abscheidung einer dünnen Goldschicht in-situ im UHV (10^–10 mbar) erfolgen kann. Dadurch wird vermieden, dass sich vor dem Auftragen der Goldschicht wieder eine Oxidschicht bildet, wie es zum Beispiel bei den anderen genannten Methoden nicht ausgeschlossen werden kann. Anschließend erfolgt in derselben Anlage die Temperung der Goldschichten, um die Goldschablonen zu erzeugen.

Die folgenden beispielhaften Abscheideverfahren zur Herstellung von Silizium-Nanodrähten unter Verwendung von Goldschablonen auf polykristallinen Silizium- und Quarzglasoberflächen können angewandt werden:
Chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD).
Bei diesem Verfahren wird Silan (SiH₄) bei ca. 500°C und einem Druck von 0,5 mbar bis 5 mbar über das Trägerelement mit einer auf dessen Oberfläche angeordneten Goldschablone geleitet, wo es sich im Fall einer Siliziumoberfläche katalytisch an den entstandenen Au/Si-Tröpfchen zersetzt. Im Fall der Verwendung einer Quarzglasoberfläche mit einer Goldschablone liefert erst die Zersetzung des Silans während des CVD-Prozesses das Silizium für das Eutektikum. Durch Übersättigung, Keimbildung und Kristallisation kommt es dann an der Grenzfläche flüssig/fest der Au/Si-Tröpfchen zum Wachsen einkristalliner Silizium-Nanodrähte.
Herstellung von Silizium-Nanodrähten mittels Elektronenstrahlverdampfung (electron beam evaporation, EBE).
Bei diesem Verfahren wird bei einem Druck von 10^–6 mbar bis 10^–7 mbar und einer Temperatur von 475°C bis 550°C ein Silizium-Dampf über die Trägerelementoberfläche mit der darauf angeordneten Goldschablone geleitet. Das Wachstum der Nanodrähte ist äquivalent dem vorbeschriebenen Prozess, mit dem Unterschied, dass sich bei diesem Verfahren eine zusätzliche 2D-Siliziumschicht auf der Substratoberfläche bildet.
Herstellung von Silizium-Nanodrähten mittels Molekularstrahl-Epitaxie (molecular beam epitaxy, MBE). Bei diesem Verfahren wird, ähnlich dem EBE-Verfahren, ein Molekularstrahl aus Siliziumatomen, aber bei noch wesentlich niedrigerem Druck von etwa 10^–10 mbar (UHV) über die Trägerelementoberfläche mit der darauf angeordneten Goldschablone geleitet. Die Siliziumabscheiderate ist deutlich geringer als bei dem EBE-Verfahren.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor mit planarem Trägerelement,
3 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor, bei dem das Trägerelement als Lichtleitfaser ausgebildet ist,
4 eine perspektivische Darstellung eines zu 3 alternativen Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor,
5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor, bei dem zwischen dem Trägerelement und den Nanodrähten eine optisch transparente Schicht angeordnet ist und
6 eine schematische Darstellung einer Anwendung eines Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor.
Wie aus 1 ersichtlich, besteht der optische Sensor 1 aus einem Trägerelement 2 und daran angeordneten Nanodrähten 3. Das Trägerelement 2 ist planar ausgebildet und vorzugsweise aus Quarzglas hergestellt, während die Nanodrähte 3 vorzugsweise aus Siliziumdioxid gebildet sind, so dass insgesamt ein optischer Sensor 1 bereitgestellt wird, welcher in einem NUV- bis NIR-Spektralbereich optisch transparent ist. Durch die Anordnung der Vielzahl an Nanodrähten 3 auf dem Trägerelement 2 wird eine sehr große sensorisch wirksame Oberfläche geschaffen, wodurch die Empfindlichkeit des Sensors 1 deutlich erhöht wird. Die Nanodrähte 3 sind hierbei willkürlich auf der Oberfläche 4 des Trägerelementes 2 angeordnet.
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor 1, welches im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1 entspricht. 2 zeigt zudem die Einzelmoleküle 5, mit denen die Nanodrähte 3 funktionalisiert sind und die mit einem zu untersuchenden Analyten Wechselwirken.
Der 3 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor 1 zu entnehmen, bei dem das Trägerelement 2 als Lichtleitfaser ausgebildet ist, an deren Faserstirnfläche 6 Nanodrähte 3 angeordnet sind.
Eine Abwandlung des in 3 Gezeigten ist in 4 dargestellt, welche eine perspektivische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor 1 zeigt, bei dem die Nanodrähte 3 an der Mantelfläche an der Faserspitze eines als Lichtleitfaser ausgebildeten Trägerelementes 2 angeordnet sind.
Der 5 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor 1 zu entnehmen, bei dem zwischen dem Trägerelement 2 und den Nanodrähten 3 eine optisch transparente Schicht 7 angeordnet ist. Diese Ausgestaltung findet vorzugsweise bei einem Trägerelement 2 aus Silizium oder ähnlichem nicht optisch transparentem Material Anwendung, damit auch mit dieser Ausführungsvariante eine Lösung der oben genannten Aufgabe und ein für optische Untersuchungen eines Analyten sehr geeigneter Sensor 1 bereitgestellt werden kann.
6 zeigt eine schematische Darstellung der Anwendung eines Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen optischen Sensor 1, mit dem eine Messung der Fluoreszenzintensität an mit Fluoreszenzfarbstoff funktionalisierten Nanodrähten 3 in Abhängigkeit des pH-Wertes des Analyten erfolgen kann. Hierfür kann ein planares Trägerelement 2 aus Quarzglas mit einer Dicke von etwa 1 mm und auf der Trägerelementoberfläche 4 befestigten Nanodrähten 3 aus Siliziumdioxid verwendet werden. Die Nanodrähte 3 mit Abmessungen von 50 nm bis 150 nm Durchmesser und einer Länge von 1 μm bis 10 μm sind ungerichtet und statistisch auf der Trägerelementoberfläche 4 verteilt. Die Oberflächen der Nanodrähte 3 und die Bereiche der Trägerelementoberfläche 4 zwischen den Nanodrähten 3 sind mit einem pH-sensitiven Fluoreszenzfarbstoff (beispielsweise Fluorescein-5(6)-isothiocyanat, FITC genannt) funktionalisiert. Ändert sich der pH-Wert des Analyten im Bereich 9, so kommt es bei Anregung der Farbstoffmoleküle zur Änderung der Fluoreszenzintensität, welche detektiert werden kann. 6 zeigt schematisch den optischen Sensor 1 mit funktionalisierten Nanodrähten 3, eingestrahltem Anregungslicht, dargestellt durch Pfeil 8, und zu detektierendem Fluoreszenzlicht 9. Der durch die Nanodrähte 3 gestrahlte Anregungslichtanteil ist als Pfeil 10 mit gestrichelter Linie dargestellt. Zur Fluoreszenzanregung kann eine Lichtquelle 11 wie etwa eine LED, eine SLD oder ein Laser dienen, die Licht mit der für die Anregung der Farbstoffmoleküle notwendigen Wellenlänge aussendet. Insbesondere kann ein Argon-Ionen-Laser verwendet werden. Die Detektion erfolgt mittels eines photoempfindlichen Detektors 12 wie beispielsweise einer Photodiode, eines Phototransistors, eines Photomultipliers, einer Photodiodenzeile oder einer CCD-Zeile. Zur Unterdrückung von gestreutem Anregungslicht ist im Bereich der Detektion des Fluoreszenz-Emissionslichtes auf der den Nanodrähten 3 abgewandten Seite des Trägerelementes 2 eine Filterschicht 13 auf das Trägerelement 2 aufgebracht. Die Filterschicht 13 hat die Aufgabe nur das Emissionslicht der Farbstoffmoleküle zu transmittieren. Die Transparenz der Nanodrähte 3 ist erforderlich, damit das Anregungslicht 8 die Schicht der Nanodrähte 3 in ihrer gesamten Dicke durchstrahlen kann und auch Fluoreszenzmoleküle abseits der Trägerelementoberfläche 4 zur Fluoreszenz angeregt werden. Gleiches gilt für das Fluoreszenzlicht. So soll auch das von Molekülen abseits der Trägerelementoberfläche 4 emittierte Fluoreszenzlicht weitestgehend verlustfrei durch die Schicht der Nanodrähte 3 gelangen.
Das Ziel bei der Funktionalisierung der Sensoroberfläche mit dem genannten Fluoreszenzfarbstoff ist es, den Farbstoff kovalent an die Oberfläche möglichst als monomolekulare Schicht zu binden. FITC wird bevorzugt an OH- und Aminogruppen (NH₂) adsorbiert. Eine kovalente Bindung geht FITC jedoch nur mit der Aminogruppe unter Bildung einer Thioharnstoffderivat-Bindung ein. Deshalb werden die Siliziumdioxid-Oberflächen zunächst hydroxiliert, durch Reaktion (Silanisierung) mit 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTES) die erforderlichen Aminogruppen geschaffen und Fluoresceinmoleküle immobilisiert. Die Erzeugung einer hohen OH-Gruppendichte ist eine wesentliche Voraussetzung für die nachfolgende Anbindung von Aminogruppen durch Silanisierung.
Eine große OH-Gruppendichte kann dadurch erreicht werden, dass im Anschluss an die thermische Oxidation, die Oberflächen einer Sauerstoffatmosphäre mit einem Wasserdampfpartialdruck von etwa 15 Torr bei circa 450°C für ungefähr 1 h, auch Konditionierung genannt, ausgesetzt werden. Unmittelbar daran anschließend kann bei einer Temperatur von etwa 120°C für eine Zeitdauer von circa 1 h die Silanisierungsreaktion in der Gasphase erfolgen. Das besondere Merkmal dieser Prozessabfolge ist, dass thermische Oxidation, Konditionierung und Gasphasensilanisierung alle in ein und derselben Probenkammer und unmittelbar aufeinanderfolgend ablaufen. Dadurch wird vermieden, dass eine Kontamination mit Luftbestandteilen entsteht. Die Reaktion kann so kontrollierter und reproduzierbarer gestaltet sowie auch bei höheren Temperatur ausgeführt werden, was einen erheblichen Vorteil für die Qualität der Silanisierungsreaktion darstellt. Die Ankopplung der Farbstoffmoleküle an die Aminogruppen kann durch anschließende Lagerung der Sensoren in einer geeigneten Farbstofflösung erfolgen.
Im Anschluss an die Funktionalisierung besteht darüber hinaus die Möglichkeit, die Nanodrähte mit einer Beschichtung zu überziehen, welche nur das zu detektierende Teilchen oder Molekül zu den funktionalisierten Nanodrähten durchlässt und ungewünschte Spezies sperrt. Solche Schichten stellen z. B. Ionenselektive Membranen dar. Der Hintergrund hierbei ist die Vermeidung oder Reduktion einer möglichen Querempfindlichkeit des Sensors gegenüber anderen, nicht zu detektierenden Substanzen.
Eine weitere Anwendung eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen optischen Sensor 1 ist die Messung der Analytbrechzahl unter Nutzung einer planaren Wellenleiteranordnung mit Nanodrähten 3 aus Siliziumdioxid. Der optische Sensor 1 weist eine auf einem Trägerelement 2 aus Silizium (z. B. einem Si-Wafer) angeordnete, optisch transparente Schicht 7 auf, auf deren Oberfläche wiederum die Nanodrähte 3 angeordnet sind. Die Nanodrähte 3 sind ungerichtet, statistisch auf der Oberfläche der Schicht 7 verteilt und weisen einen Durchmesser von 50 nm bis 150 nm und eine Länge von 1 μm bis 10 μm auf.
Bei dieser Anordnung wird die Dämpfung des in der Schicht 7 geführten Lichtes gemessen. Wenn der Zwischenraum zwischen den Nanodrähten 3 mit einem höher brechenden Medium als Luft ausgefüllt wird, zum Beispiel bei Benetzung der sensorisch wirksamen Oberfläche mit einem wässrigen Analyten, verlagert sich das Feld des geführten Lichtes (evaneszentes Feld) in die Struktur der Nanodrähte 3 hinein, was zu einer Zunahme der Dämpfung führt. Die Dämpfung ist hierbei ein Maß für die Brechzahl des Analyten. Die Ein- und Auskopplung des Lichtes in beziehungsweise aus der Schicht 7 kann beispielsweise über Prismen erfolgen.
Der erfindungsgemäße optische Sensor weist folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf:
Der Sensor ist in einem Spektralbereich vom NUV- bis zum NIR-Bereich optisch transparent, so dass beispielsweise die Anregung der Indikatormoleküle und die Detektion der von diesen emittierten Strahlung von der Trägerelementseite her erfolgen kann, wodurch der erfindungsgemäße Sensor einen im Hinblick auf seine flexible Einsatzfähigkeit sehr kompakten Aufbau aufweist. Insbesondere ist es gegenüber nicht optisch transparenten Sensoren von Vorteil, dass die Anregung und Detektion nicht von der Analytseite her erfolgen muss, da sowohl die Anregung als auch die Detektion durch einen trüben und streuenden Analyten beeinträchtigt werden kann. Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Trägerelement
3: Nanodraht
4: Trägerelementoberfläche
5: Einzelmolekül
6: Faserstirnfläche
7: Schicht
8: Pfeil
9: Fluoreszenzlicht
10: Pfeil
11: Lichtquelle
12: Detektor
13: Filterschicht

Claims

Optischer Sensor (1) mit einem optisch transparenten Trägerelement (2) und wenigstens einem daran angeordneten Nanodraht (3) aus einem dielektrischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanodraht (3) in einem Spektralbereich ausgehend vom nahen UV- bis zum nahen IR-Bereich optisch transparent ist, so dass der gesamte Sensor (1) von Anregungslicht durchlaufbar ist.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material ein Siliziumoxid ist und der Nanodraht (3) eine gewachsene Festkörperstruktur mit einem Durchmesser von etwa 10 nm bis einige 100 nm und mit einer Länge von etwa 1 μm bis zu einigen Mikrometern ist.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliziumoxid Siliziumdioxid ist.
Optischer Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (2) aus Quarzglas oder Saphir besteht.
Optischer Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trägerelement (2) und Nanodraht (3) eine optisch transparente Schicht (7) angeordnet ist.
Optischer Sensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch transparente Schicht (7) im UV- bis nahen IR-Bereich optisch transparent ist.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Sensors (1) gemäß einem der mehrerer der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines Trägerelementes (2), – Aufbringen einer Schablone aus geeignetem Schablonenmaterial auf zumindest einen Teil der Trägerelementoberfläche (4), – Aufbringen von Halbleitermaterial auf die mit der Schablone versehene Trägerelementoberfläche (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Schablonenmaterial nach dem Aufbringen des Halbleitermaterials entfernt und anschließend das Halbleitermaterial oxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Schablonenmaterial Gold verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schablone durch Tempern eines dünnen Films auf einer Trägerelementoberfläche, Abscheiden von Nanopartikeln aus einer Kolloidlösung auf die Trägerelementoberfläche und mittels Strukturierung eines zuvor auf die Trägerelementoberfläche abgeschiedenen dünnen Films hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelementoberfläche (4) vor dem Abscheiden der Nanopartikel aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Schablone auf die Trägerelementoberfläche (4) auf diese eine amorphe Siliziumschicht aufgebracht wird, welche mittels Laserkristallisation zu einer polykristallinen Struktur umgewandet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die polykristalline Siliziumschicht durch Laserkristallisation einer auf der Trägerelementoberfläche (4) abgeschiedenen, amorphen Siliziumschicht hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Halbleitermaterials durch chemische Gasphasenabscheidung, Elektronenstrahlverdampfung, Molekularstrahl-Epitaxie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Schablonenmaterials durch Ätzen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation des Halbleitermaterials mittels eines thermischen Oxidationsprozesses erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Oxidation mittels Trockenoxidation oder Feuchtoxidation erfolgt.