DE102019125646A1

DE102019125646A1 - Materialien zur Verstärkung der Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung

Info

Publication number: DE102019125646A1
Application number: DE102019125646.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Würth; Ute Resch-Genger; Robert Voigt; Christiane Becker; Doguscan Ahiboz; Phillip Manley
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-03-25
Also published as: EP4034804A1; WO2021058342A1

Abstract

Schichtsysteme für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung werden hierin beschrieben. Das Verfahren umfasst Bilden eines photonischen Kristalls mit einer ersten und einer zweiten Seite mittels Nanoprägelithografie; und Aufbringen eines Aufkonvertierungsmaterials auf die erste Seite und/oder der zweiten Seite des photonischen Kristalls. Das Aufkonvertierungsmaterial enthält ein erstes Lanthanoid, und ein zweites Lanthanoid. Weiterhin werden Schichtsysteme aufweisend einen photonischen Kristall und ein Aufkonvertierungsmaterial beschrieben.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Aufkonvertierungsmaterialien.
Vorbekannter Stand der Technik
Aufkonvertierung oder Photonen-Hochkonversion ist eine Methode bei der mehrere Photonen von einem Aufkonvertierungsmaterial absorbiert werden und eine Emission von höherfrequenterer oder kurzwelligerer Strahlung, im Vergleich zu der absorbierten Strahlung, erfolgt. Dieser Effekt eröffnet eine Vielzahl potentieller Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Bioanalytik, der Sicherheitstechnik und der Photovoltaik.
Nachteile des Standes der Technik
Aufkonvertierungsmaterialien gemäß dem Stand der Technik führen lediglich zu geringen Aufkonvertierungseffizienzen und -intensitäten. Eine Erhöhung der Emissionsintensitäten von Aufkonvertierungsmaterialien (bzw. Aufkonvertierungsintensitäten) wurde bisher vor allem durch Erhöhung der Bestrahlungsintensität, insbesondere durch Verwendung intensiver Laser, erzielt. Die Verwendung intensiver Laser führt zu hohen Kosten und hohen Gefahrpotentialen.
Problemstellung
Angesichts der vorstehend Erwähnten besteht ein Bedarf an weiteren Verbesserungen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Systeme für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung und ein Verfahren zur Herstellung eines Systems für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung bereitzustellen, welche eine Verstärkung der Aufkonvertierungseffizienz und -intensität ermöglichen.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird gelöst durch Schichtsysteme gemäß Ansprüchen 1, 12 und 16. Ferner, wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems gemäß Anspruch 17 gelöst. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Schichtsystem für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung bereitgestellt. Das Schichtsystem weist einen, bevorzugt zweidimensionalen, photonischen Kristall mit einer ersten und einer zweiten Seite und ein auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite angeordnetes Aufkonvertierungsmaterial auf. Das Aufkonvertierungsmaterial enthält ein erstes Lanthanoid, wobei das erste Lanthanoid bevorzugt Neodym oder Ytterbium ist. Ferner enthält das Aufkonvertierungsmaterial ein zweites Lanthanoid, wobei das zweite Lanthanoid bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Erbium, Thulium und Holmium ausgewählt ist. Der photonische Kristall ist mittels Nanoprägelithographie hergestellt.
Der photonische Kristall kann ein zweidimensionaler oder ein dreidimensionaler photonischer Kristall sein. Die zweite Seite des photonischen Kristalls kann gegenüberliegend von der ersten Seite angeordnet sein. Beispielsweise kann die erste Seite auch als eine obere Seite und die zweite Seite als eine untere Seite betrachtet werden. Der photonische Kristall ist entlang oder im Wesentlichen parallel zur ersten Seite ausgedehnt und weist eine geringe Ausdehnung von der ersten Seite zu der zweiten Seite auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist der photonische Kristall von der ersten Seite zu der zweiten Seite eine Ausdehnung von mindestens 20 nm, bevorzugt mindestens 60 nm, und/oder höchstens 5000 nm, bevorzugt höchstens 500 nm auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Schichtsystem oder der photonische Kristall, entlang der ersten Seite eine Ausdehnung von mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 1 cm, und noch bevorzugter mindestens 3 cm auf. Parallel zur ersten Seite kann das Schichtsystem oder der photonische Kristall, eine Ausdehnung von mehr als 10 cm², bevorzugt mehrere 10 cm², aufweisen.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Nanoprägelithographie eine Herstellung von photonischen Kristallen mit den vorstehend offenbarten Ausmaßen bei kurzen Herstellungszeiten und geringen Kosten.
Das Schichtsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ermöglicht Anwendungen, die großflächige (Schicht-)Systeme und/oder (Schicht-)Systeme in großflächiger Zahl erfordern. Gemäß einer Ausführungsform wird das Schichtsystem für einen Assay oder einen Bio-Assay verwendet. Typischerweise erfordern Assays oder Bio-Assays Ausdehnungen von mehr als 10 cm² oder sogar mehreren 10 cm².
Der photonische Kristall kann ein erstes Material aufweisen, wobei das erste Material aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, III/V-Halbleiter, Germanium und Silizium ausgewählt sein kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Material Silizium.
Der photonische Kristall kann parallel zur ersten Seite und/oder zur zweiten Seite eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Löchern oder Erhebungen aufweisen. Die Löcher können dabei jeweils als eine Vertiefung betrachtet werden, der im Wesentlichen senkrecht zur ersten oder zweiten Seite ausgedehnt ist und sich von der ersten oder zweiten Seite ausgehend erstreckt. Die Löcher können sich vollständig von der ersten zur zweiten Seite erstrecken. Typischerweise erstrecken sich die Löcher über einen Abschnitt senkrecht zur ersten und/oder zweiten Seite. Die Erhebungen können im Wesentlichen senkrecht zur ersten und/oder zweiten Seite ausgedehnt sein und sich vollständig oder teilweise zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite erstrecken. Oberseiten und Unterseiten der Erhebungen können jeweils die erste Seite und die zweite Seite bilden.. In einer Ausführungsform sind die Löcher oder Erhebungen im Wesentlichen hexagonal angeordnet.
Die Löcher oder Erhebungen können einen mittleren Abstand von mindestens 100 nm, bevorzugt mindestens 300 nm und/oder höchstens 3 µm, bevorzugt höchstens 1.5 µm aufweisen. Die Löcher oder Erhebungen können einen mittleren Durchmesser von mindestens 20 nm, bevorzugt mindestens 50 nm und/oder höchstens 3 µm, bevorzugt höchstens 1.5 µm aufweisen.
Das Schichtsystem weist ferner ein auf der ersten und/oder der zweiten Seite angeordnetes Aufkonvertierungsmaterial auf. Das Aufkonvertierungsmaterial kann den photonischen Kristall auch umschließen und/oder Lufträume des photonischen Kristalls ausfüllen. Das Aufkonvertierungsmaterial enthält mindestens ein erstes Lanthanoid und mindestens ein zweites Lanthanoid. Das erste Lanthanoid ist bevorzugt Neodym oder Ytterbium, oder eine Kombination aus Neodym und Ytterbium. Das zweite Lanthanoid ist bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Erbium, Thulium und Holmium, und Kombinationen hiervon ausgewählt. Mit Lanthanoid sind jeweils Lanthanoidionen gemeint, beispielsweise Erbium³⁺.
Das erste Lanthanoid kann derart ausgewählt sein, dass Strahlung in einem bestimmten Spektralbereich, insbesondere im nahinfraroten und/oder sichtbaren Spektralbereich von dem ersten Lanthanoid absorbiert wird. Eine Absorption von Strahlung durch das erste Lanthanoid führt zu einer Emission von Strahlung durch das Schichtsystems von, im Vergleich zu der vom ersten Lantanoid absorbierten Strahlung, kurzwelligeren Strahlung.
Das erste Lanthanoid kann in einem höheren Teilchenverhältnis vorliegen als das zweite Lanthanoid. Das Teilchenverhältnis zwischen erstem Lanthanoid und zweitem Lanthanoid beträgt höchstens 99:1 und/oder mindestens 1:1.
Das Aufkonvertierungsmaterial kann ferner eine Trägermatrix aufweisen. Das erste Lanthanoid und das zweite Lanthanoid können dabei auf die Trägermatrix aufgebracht werden oder in die Trägermatrix eingebracht werden. Die Trägermatrix kann eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Nanopartikel, einem Mikropartikel, einem Film, einer Membran, und Kombinationen hiervon aufweisen. In einer Ausführungsform weist die Trägermatrix bevorzugt fluorierte Materialien auf, wie beispielsweise NaYF₄, CaF, BaF, SrF auf. Die Trägermatrix oder eine Komponente der Trägermatrix kann das erste Lanthanoid oder das zweite Lanthanoid enthalten, beispielsweise im Falle von NaYbF₄. In einer Ausführungsform weist die Trägermatrix ein SiO₂ auf. In einer anderen Ausführungsform weist die Trägermatrix ein Polymer auf. In einer Ausführungsform weist die Trägermatrix Nanopartikel oder Mikropartikel, und einen Film auf, wobei die Nanopartikel oder Mikropartikel in dem Film eingebettet sind. Mehrere Trägermatrices können kombiniert werden, beispielsweise Lanthanoid haltige NaYF₄ Nanopartikel eingebettet in einem Polymer. In Ausführungsformen, in denen die Trägermatrix Nanopartikel oder Mikropartikel aufweist, kann das prozentuale Teilchenverhältnis zwischen erstem Lanthanoid, zweitem Lanthanoid und ersetzten Atomen der Nanopartikel oder Mikropartikel beispielsweise 10%:1%:89% oder 20%:2%:78% betragen. Beispielsweise bezeichnet NaYF4: 2% Er : 20 % Yb, dass 2% der Na Atome durch Er ersetzt wurden, und weitere 20% durch Yb.
In Ausführungsformen, in denen die Trägermatrix Nanopartikel aufweist, können die Nanopartikel eine durchschnittliche Partikelgröße von mindestens 1 nm und/oder höchstens 100 nm aufweisen. Die Bestimmung der durchschnittlichen Partikelgröße erfolgt bevorzugt mittels Transmissionselektronenspektroskopie. In Ausführungsformen, in denen die Trägermatrix Mikropartikel aufweist, können die Mikropartikel eine durchschnittliche Partikelgröße von mindestens 0.1 µm und/oder höchstens 100 µm aufweisen. Die Nanopartikel und/oder die Mikropartikel können jeweils einen Kern und eine Schale aufweisen, wobei das erste Lanthanoid und/oder das zweite Lanthanoid jeweils im Kern und/oder in der Schale angeordnet sein können. Beispielsweise können die Nanopartikel und/oder die Mikropartikel jeweils Kerne mit Lanthanoiden und eine Schale ohne Lanthanoide aufweisen. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform können die Nanopartikel und/oder die Mikropartikel jeweils Kerne mit Yb³⁺ und Er³⁺, und Schalen mit Nd³⁺ und Yb³⁺ oder jeweils Kerne mit Yb³⁺ und Er³⁺, und Schalen ohne Lanthanoide aufweisen.
Das Aufkonvertierungsmaterial kann auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite des photonischen Kristalls einen Film bilden, der die erste Seite und/oder die zweite Seite teilweise oder im Wesentlichen vollständig bedeckt oder den photonischen Kristall umschließen. Das Aufkonvertierungsmaterial kann eine Schichtdicke von höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 300 nm, aufweisen. In einer Ausführungsform ist das Aufkonvertierungsmaterial in Form von Partikeln auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform kann auf dem Aufkonvertierungsmaterial und/oder auf der ersten Seite und/oder auf der zweiten Seite eine Passivierungsschicht angeordnet sein. Die Passivierungsschicht kann dabei eine Schutzschicht für das Aufkonvertierungsmaterial und/oder den photonischen Kristall darstellen. Die Passivierungsschicht kann ein Polymer oder SiO₂ aufweisen.
Vorteilhafterweise ermöglicht das Schichtsystem aufweisend dem photonischen Kristall und dem auf dem photonischen Kristall angeordneten Aufkonvertierungsmaterial eine substantielle Steigerung der Aufkonvertierungseffizienzen und -intensitäten verglichen mit aus dem Stand der Technik bekannten Aufkonvertierungsmaterialien. Bei dem photonischen Kristall treten optische Resonanzen oder optische Feldstärkeerhöhungen in einem begrenzten Spektralbereich, insbesondere zusätzlich bei einem begrenzten Einstrahlwinkel, auf. Der photonische Kristall kann derart ausgewählt werden oder hergestellt sein, dass die Absorptionsbande des Aufkonvertierungsmaterials mit dem Spektralbereich der optischen Resonanzen oder optischen Feldstärkeerhöhungen des photonischen Kristalls im Wesentlichen übereinstimmt oder teilweise überlappt. Die Herstellung von photonischen Kristallen bei denen optische Resonanzen oder optische Feldstärkeerhöhungen in einem begrenzten Spektralbereich, insbesondere zusätzlich bei einem begrenzten Einstrahlwinkel, auftreten, ist dem Fachmann als solchem bekannt. Beispielsweise sei hierfür auf Photonic Crystals, Molding the Flow of Light, 2. Auflage von John. D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, Joshua N. Winn, Robert D. Meade, Princeton University Press verwiesen. Ohne durch eine Theorie gebunden zu werden, wird angenommen, dass innerhalb des photonischen Kristalls und insbesondere nahe oder im Bereich der ersten und/oder der zweiten Seite des photonischen Kristalls die Feldstärke lokal erhöht wird und eine Wechselwirkung mit dem Aufkonvertierungsmaterial erfolgt. Diese höhere Feldstärke kann genutzt werden um die Effizienz eines Energieübertragungsmechanismus von dem ersten Lanthanoid zu dem zweiten Lanthanoid zu erhöhen. Hierdurch kann eine substantielle Steigerung der Aufkonvertierungseffizienzen und -intensitäten für das Schichtsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung erzielt werden verglichen mit einem Aufkonvertierungsmaterial ohne Verwendung eines photonischen Kristalls oder gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Aufkonvertierungsmaterialien.
Das Schichsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ermöglicht eine effiziente Aufkonvertierung von Strahlung geringer Intensität. Insbesondere im Bereich der Sicherheitstechnik (Sicherheitsanwendungen) oder bei Verwendung des Schichtssystems für einen Assay oder einen Bio-Assay (Bioanalytik) ermöglicht dies die Verwendung von Anregungsquellen, insbesondere Laser, mit geringer Leistung. Vorteilhafterweise werden Anwendungen kostengünstiger und die Sicherheit für den Menschen wird erhöht. Eine geringe Leistung der Anregungsquelle vermindert negative Einflüsse auf das Schichtsystem. Beispielsweise wird die Gefahr einer Überhitzung oder sonstiger Degradation des Schichtsystems durch die Anregungsquelle vermindert. Die Verwendung des Schichtsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung für einen Sensor zur Detektion neutraler oder ionischer Analyte oder einen Assay oder einen Bio-Assay ermöglicht durch die effiziente Aufkonvertierung die Absenkung von Nachweisgrenzen gegenüber bisher verwendeten Aufkonvertierungsmaterialien.
Weiterhin ermöglicht das Schichtsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Steuerung eines Farbeindrucks der durch das Schichtsystem emittierten Strahlung. Ohne durch eine Theorie gebunden zu werden, wird angenommen, dass die Aufkonvertierungseffizienzen und -intensitäten abhängig von der lokalen Feldstärke sind. Der Farbeindruck der durch das Schichtsystem emittierten Strahlung kann dadurch gesteuert werden, in dem ein photonischer Kristall derart ausgewählt oder hergestellt wird, dass die lokale Erhöhung der Feldstärke für die verstärkte Aufkonvertierung eines gewünschten Wellenlängenbereich der emittierten Strahlung geeignet ist. Die Herstellung von photonischen Kristallen bei denen optische Resonanzen oder optische Feldstärkeerhöhungen in einem begrenzten Spektralbereich, insbesondere zusätzlich bei einem begrenzten Einstrahlwinkel, auftreten, ist dem Fachmann als solchem bekannt. Beispielsweise sei hierfür auf Photonic Crystals, Molding the Flow of Light, 2. Auflage von John. D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, Joshua N. Winn, Robert D. Meade, Princeton University Press verwiesen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der photonische Kristall derart ausgewählt werden oder hergestellt sein, dass eine substantielle Steigerung der Feldstärke bei bestimmten Einstrahlwinkeln auftreten. Das Schichtsystem kann dazu eingerichtet sein nahinfrarote Strahlung bei einem vordefinierten Einstrahlwinkel effizient aufzukonvertieren. In einer Ausführungsform kann das Schichtsystem dazu eingerichtet sein nahinfrarote Strahlung sehr effizient bei im Wesentlichen senkrechtem Einstrahlwinkel aufzukonvertieren. Das Schichtsystem kann dazu eingerichtet sein aufkonvertierte Strahlung isotrop oder gerichtet zu emittieren.
Vorteilhafterweise führt eine Winkelabhängigkeit der Verstärkung der elektromagnetischen Feldstärke des photonischen Kristalls nahe oder im Bereich des Aufkonvertierungsmaterials und/oder der Emissionseigenschaften des Schichtsystems zu einer Verstärkung der Aufkonvertierungseffizienzen und - intensitäten, beispielsweise bei Verwendung des Schichtssystems für einen Assay oder einen Bio-Assay. Die Winkelabhängigkeit der Verstärkung der Aufkonvertierungseffizienz und/oder der Emissionseigenschaften des Schichtsystems ermöglichen eine zusätzliche Kodierungsdimension bei Verwendung des Schichtsystems für Sicherheitsanwendungen. Ferner lässt eine Effizienzsteigerung des Aufkonvertierungsmaterials und/oder der Emissionseigenschaften des Schichtsystems Rückschlüsse auf die Feldstärke innerhalb des photonischen Kristalls zu. Vorteilhafterweise kann das Schichtsystem für einen Sensor zur Bestimmung von elektromagnetischen Feldstärken in photonischen Strukturen verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Schichtsystem ein an der zweiten Seite angeordnetes Substrat auf. Das Substrat kann ablösbar an der zweiten Seite aufgebracht sein. Das Substrat kann eine Membran oder ein Film sein.
Das Substrat ist bevorzugt transparent. Transparent bedeutet hierbei insbesondere transparent für Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, oder transparent für Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und nahinfraroten Spektralbereich bis 1000 nm. Das Substrat kann aus einem Material bestehen, das einen geringeren Brechungsindex hat als das erste Material des photonischen Kristalls. Bevorzugt weist das Substrat eines aus der Gruppe bestehend aus einem Glass, einem transparenten Polymer und Zellulose auf.
Das Schichtsystem aufweisend dem an der zweiten Seite angeordneten transparenten Substrat ermöglicht eine Anwendung für Transmissionsmessungen, insbesondere bei Verwendung des Schichtssystems für einen Assay oder einen Bio-Assay. Vorteilhafterweise ermöglicht ein transparentes Substrat die Absorption von Strahlung durch das Aufkonvertierungsmaterial bei einem beliebigen Einstrahlwinkel und die Emission von Strahlung durch das Schichtsystems bei einem beliebigen Winkel.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Schichtsystem zwischen der ersten Seite des, bevorzugt zweidimensionalen, photonischen Kristalls und dem Aufkonvertierungsmaterial und/oder zwischen der zweiten ersten Seite des, bevorzugt zweidimensionalen, photonischen Kristalls und dem Aufkonvertierungsmaterial, Biomoleküle, vorzugsweise Antikörper, Oligonukleotide (DNA, RNA) oder Aptamere, auf.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Aufkonvertierungsmaterial einen Farbstoff aufweisen. Beispielsweise kann der Farbstoff ein organischer Farbstoff, ein analytsensitiver Farbstoff oder ein umgebungssensitiver Farbstoff sein. Der Farbstoff kann mit dem ersten Lanthanoid und/oder dem zweiten Lanthanoid gekoppelt sein. Beispielsweise kann der Farbstoff auf der Oberfläche der Nanopartikel aufgebracht sein oder der Farbstoff kann in die Trägermatrix eingebettet sein. Die Trägermatrix kann dabei durchlässig sein für Analyte. Das Schichtsystem kann verwendet werden für einen Biosensor und/oder es kann ein Biosensor bereitgestellt werden, der das Schichtsystem aufweist. Die Kopplung zwischen Farbstoff und dem ersten Lanthanoid und/oder dem zweiten Lanthanoid kann einen strahlungslosen oder strahlenden Energietransfer zwischen dem ersten Lanthanoid und/oder dem zweiten Lanthanoid und dem Farbstoff ermöglichen. Eine Emission des Farbstoffes kann als Nachweis oder zur Konzentrationsbestimmung eines Analyten dienen. In einer anderen Ausführungsform kann der Farbstoff als ein Indikator dienen. Der Farbstoff kann die durch das erste Lanthanoid und/oder das zweite Lanthanoid emittierte Strahlung absorbieren. Ein durch die Absorption des Farbstoffs geändertes Emissionsspektrum des Schichtsystems kann zum Nachweis eines Analyten dienen. Die Analyten können dabei z.B. Metallionen oder organische Moleküle sein. Die umgebungssensitiven Farbstoffe können z.B. sensitiv auf Umgebungseigenschaften, wie Viskosität, pH-Wert und Temperatur sein.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Schichtsystem für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung bereitgestellt. Das Schichtsystem weist einen, bevorzugt zweidimensionalen, photonischen Kristall mit einer ersten und einer zweiten Seite und ein auf der ersten Seite angeordnetes Aufkonvertierungsmaterial auf. Das Aufkonvertierungsmaterial enthält ein erstes Lanthanoid, wobei das erste Lanthanoid bevorzugt Neodym oder Ytterbium ist. Ferner enthält das Aufkonvertierungsmaterial ein zweites Lanthanoid, wobei das zweite Lanthanoid bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Erbium, Thulium und Holmium ausgewählt ist. Das Schichtsystem weist einen an der zweiten Seite angeordnetes Substrat auf. Optional ist das Substrat ablösbar an der zweiten Seite aufgebracht. Bevorzugt ist das Substrat eine Membran oder ein Film.
Die vorstehende Ausführungsform kann mit den Merkmalen aller davor offenbarten Ausführungsformen beliebig kombiniert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Schichtsystem für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung bereitgestellt. Das Schichtsystem ist erhältlich durch die Schritte: Herstellen eines, bevorzugt zweidimensionalen, photonischen Kristalls mit einer ersten und einer zweiten Seite mittels Nanoprägelithographie und Aufbringen eines Aufkonvertierungsmaterials auf die erste Seite und/oder der zweiten Seite des photonischen Kristalls. Das Aufkonvertierungsmaterial enthält ein erstes Lanthanoid, wobei das erste Lanthanoid bevorzugt Neodym oder Ytterbium ist. Das Aufkonvertierungsmaterial enthält ein zweites Lanthanoid, wobei das zweite Lanthanoid bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Erbium, Thulium und Holmium ausgewählt ist.
Die vorstehende Ausführungsform kann mit den Merkmalen aller davor offenbarten Ausführungsformen beliebig kombiniert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Bilden eines, bevorzugt zweidimensionalen, photonischen Kristalls mit einer ersten und einer zweiten Seite mittels Nanoprägelithografie und Aufbringen eines Aufkonvertierungsmaterials auf die erste Seite und/oder der zweiten Seite des photonischen Kristalls. Das Aufkonvertierungsmaterial enthält ein erstes Lanthanoid, wobei das erste Lanthanoid bevorzugt Neodym oder Ytterbium ist. Das Aufkonvertierungsmaterial enthält ein zweites Lanthanoid, wobei das zweite Lanthanoid bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Erbium, Thulium und Holmium ausgewählt ist.
In einer Ausführungsform erfolgt das Bilden des photonischen Kristalls gemäß der Offenlegungsschrift DE 10 2011 111 629 A1 und/oder gemäß der Offenlegungsschrift WO/2013/027123 A1 , und/oder gemäß C. Becker, P. Wyss, D. Eisenhauer, J. Probst, V. Preidel, M. Hammerschmidt und S. Burger, Scientific Reports 4, 5886 (2014), worauf hiermit verwiesen wird.
Das Bilden des, bevorzugt zweidimensionalen, photonischen Kristalls kann eine Strukturierung eines Master-Substrats mittels Nanoprägelithographie umfassen. Im Anschluss daran kann das Aufbringen eines ersten Materials mittels physikalischer Gasphasenabscheidung erfolgen. Insbesondere kann das Aufbringen des ersten Materials in amorpher Form erfolgen. Beispielsweise kann das erste Material Silizium sein. Im Anschluss daran kann ein thermisches Heizen erfolgen, wobei das erste Material mindestens teilweise kristallisiert. Ferner kann das Bilden des zweidimensionalen, photonischen Kristalls ein Entfernen von nicht-kristallinem Material umfassen, insbesondere mittels chemischem Ätzen und/oder mechanischer Abreibung.
Vorteilhafterweise ermöglicht sowohl die physikalische Gasphasenabscheidung als auch die Nanoprägelithographie eine Herstellung von photonischen Kristallen mit einer großen Ausdehnung bei kurzen Herstellungszeiten und geringen Kosten.
In einer Ausführungsform wird das Aufkonvertierungsmaterial mittels einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schleuderbeschichtung, Sprühbeschichtung, Tropfbeschichtung, Tauchbeschichtung oder Sol-Gel-Verfahren aufgebracht.
Das Verfahren kann das Aufbringen eines Substrats an die zweite Seite des photonischen Kristalls umfassen. Das Aufbringen des Substrats kann zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, nach Aufbringen des Aufkonvertierungsmaterials, das Aufbringen des Substrats. Gemäß einer Ausführungsform ist das Master-Substrat das Substrat.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren ein Assay oder ein Bio-Assay sein. Das Assay kann zwischen dem Schritt: Bilden eines, bevorzugt zweidimensionalen, photonischen Kristalls mit einer ersten und einer zweiten Seite mittels Nanoprägelithografie und dem Schritt: Aufbringen eines Aufkonvertierungsmaterials auf die erste Seite und/oder der zweiten Seite des photonischen Kristalls, einen Schritt: Aufbringen von Biomolekülen, vorzugsweise Antikörper, Oligonukleotide (DNA, RNA) oder Aptamere, auf die erste Seite und/oder der zweiten Seite des photonischen Kristalls, umfassen.
Die Schichtsysteme gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarungen können verwendet werden für eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Bildschirm; einer Nanolampe; einer Photovoltaikanlage; und einem Sensor, insbesondere ein Sensor zur Bestimmung von elektromagnetischen Feldstärken in photonischen Strukturen, einem Sensor zur Bestimmung einer Strahlungsstärke einer Strahlungsquelle, ein Feuchtigkeitssensor, ein Drucksensor, ein Temperatursensor, ein Sensor zum Nachweis von Wasser, einem Biosensor, insbesondere einem Biosensor zum Nachweis ionischer und/oder neutraler Analyte oder einem Biosensor zum Nachweis von Umgebungseigenschaften, wie z.B. Viskosität, pH-Wert und Temperatur, einem Assay, oder einem Bio-Assay.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert, ohne dass diese den durch die Ansprüche definierten Schutzbereich einschränken sollen.
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechend ähnliche Teile.

1A zeigt schematisch einen Ausschnitt eines photonischen Kristalls, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
1B zeigt schematisch einen Ausschnitt eines photonischen Kristalls, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Schichtsystems, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Schichtsystems, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Schichtsystems, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt eine Messung eines Ausschnitts eines photonischen Kristalls, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt eine Messung eines Ausschnitts eines Schichtsystems, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
7 zeigt eine Messung eines Ausschnitts eines Schichtsystems, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
8 zeigt eine Messung eines Ausschnitts eines Schichtsystems, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
9A zeigt eine Messung eines Schichtsystems, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
9B zeigt eine Messung eines Schichtsystems, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
10A zeigt eine Messung eines Schichtsystems, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
10B zeigt eine Messung eines Schichtsystems, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
1A zeigt schematisch einen Ausschnitt eines zweidimensionalen photonischen Kristalls 110 gemäß einer Ausführungsform. Der photonischer Kristall 110 weist eine erste Seite 111 und eine zweiten Seite 112 auf. In der in 1A dargestellten Ansicht ist lediglich die erste Seite 111 sichtbar. Der zweidimensionale photonische Kristall 110 weist in 1A parallel zur ersten Seite 111 eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Löchern 113 auf. Die Löcher 113 sind im Wesentlichen hexagonal angeordnet.
1B zeigt schematisch einen Ausschnitt des zweidimensionalen photonischen Kristalls 110 gemäß einer Ausführungsform. Der photonischer Kristall 110 weist die erste Seite 111 und die zweiten Seite 112 auf. In der in 1B dargestellten Ansicht ist lediglich die erste Seite 111 sichtbar. Der zweidimensionale photonische Kristall 110 weist in 1B parallel zur ersten Seite 111 eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Erhebungen 114 auf. Die Erhebungen 114 sind im Wesentlichen hexagonal angeordnet.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Schichtsystems 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Schichtsystem 100 weist den zweidimensionalen photonischen Kristall 110 mit der ersten Seite 111 und der zweiten Seite 112 auf. Der zweidimensionale photonische Kristall 110 weist in 2 parallel zur ersten Seite 111 eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Erhebungen 114 auf. Die Oberseiten der Erhebungen bilden jeweils die erste Seite 111. Ferner, weist das Schichtsystem 100 ein auf der ersten Seite 111 angeordnetes Aufkonvertierungsmaterial 120 auf. Das Aufkonvertierungsmaterial 120 weist eine Trägermatrix auf. Das Aufkonvertierungsmaterial 120 enthält ein erster Lanthanoid und ein zweites Lanthanoid. Das erste Lanthanoid und das zweite Lanthanoid sind dabei in der Trägermatrix eingebracht. Die Trägermatrix ist in 2 ein Film. Das Schichtsystem 100 weist ein an der zweiten Seite 112 angeordnetes Substrat 130 auf. Das Substrat 130 ist ein Film.
3 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Schichtsystems 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Schichtsystem 100 weist den zweidimensionalen photonischen Kristall 110mit der ersten Seite 111 und der zweiten Seite 112 auf. Der zweidimensionale photonische Kristall 110 weist in 3 parallel zur ersten Seite 111 eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Erhebungen 114 auf. Die Oberseiten der Erhebungen bilden jeweils die erste Seite 111. Ferner, weist das Schichtsystem 100 das auf der ersten Seite 111 angeordnete Aufkonvertierungsmaterial 120 auf. Das Aufkonvertierungsmaterial 120 weist die Trägermatrix auf. Das Aufkonvertierungsmaterial 120 enthält ein erstes Lanthanoid und ein zweites Lanthanoid. Das erste Lanthanoid und das zweite Lanthanoid sind dabei in der Trägermatrix eingebracht. Die Trägermatrix ist in 3 ein Nanopartikel.
4 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Schichtsystems 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Schichtsystem 100 weist den zweidimensionalen photonischen Kristall 110 mit der ersten Seite 111 und der zweiten Seite 112 auf. Der zweidimensionale photonische Kristall 110 weist in 4 parallel zur ersten Seite 111 eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Erhebungen 114 auf. Die Oberseiten der Erhebungen bilden jeweils die erste Seite 111. Ferner, weist das Schichtsystem 100 das auf der ersten Seite 111 angeordnete Aufkonvertierungsmaterial 120 auf. Das Aufkonvertierungsmaterial 120 weist die Trägermatrix auf. Das Aufkonvertierungsmaterial 120 enthält ein erster Lanthanoid und ein zweites Lanthanoid. Das erste Lanthanoid und das zweite Lanthanoid sind dabei in der Trägermatrix eingebracht. Die Trägermatrix ist in 4 ein Nanopartikel. Das Schichtsystem 100 weist das an der zweiten Seite 112 angeordnete Substrat 130 auf. Das Substrat 130 ist ein Film.
5 zeigt eine Messung eines Ausschnitts des zweidimensionalen photonischen Kristalls 110, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop. Der photonischer Kristall 110 weist die erste Seite 111, die in 4 sichtbar ist, und die zweiten Seite 112 auf. Der zweidimensionale photonische Kristall 110 weist parallel zur ersten Seite 111 eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Löchern 113 auf. Die Löcher 113 sind im Wesentlichen hexagonal angeordnet.
6 zeigt eine Messung eines Ausschnitts des Schichtsystems 100, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop. Das Schichtsystem 100 weist das auf der ersten Seite 111 des zweidimensionalen photonischen Kristalls 110 angeordnete Aufkonvertierungsmaterial 120 auf. Der photonische Kristall 110 des in 6 dargestellten Schichtsystems weist von der ersten Seite 111 zu der zweiten Seite 112 eine Ausdehnung von 65 nm auf. Der photonische Kristall 110 weist ein erstes Material bestehend aus Silizium auf. Das Aufkonvertierungsmaterial 120 weist die Trägermatrix auf, und enthält das erste Lanthanoid und das zweite Lanthanoid. Die Trägermatrix weist Nanopartikel und einen Film auf, wobei die Nanopartikel in dem Film eingebettet sind. Das erste Lanthanoid und das zweite Lanthanoid sind in die Nanopartikel eingebracht. Der Film weist ein Polymer auf. Die Nanopartikel haben eine durchschnittliche Partikelgröße von 25 nm. Die Bestimmung der durchschnittlichen Partikelgröße erfolgte dabei mittels Transmissionselektronenspektroskopie. Die Nanopartikel bestehen aus NaYF₄ dotiert mit 18% Yb³⁺ und 2% Er³⁺. Die Nanopartikel sind eingebettet in einem Film, aufweisend Polymethylmethacrylat.
7 zeigt eine Messung eines Ausschnitts des Schichtsystems 100, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, aufgenommen mit einem Rasterkraftmikroskop. Das Schichtsystem 100 weist den zweidimensionalen photonischen Kristall 110 mit der ersten Seite 111 und der zweiten Seite 112 auf. Der zweidimensionale photonische Kristall 110 weist in 7 parallel zur ersten Seite 111 eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Löchern 113 auf. Die Löcher 113 sind im Wesentlichen hexagonal angeordnet. Ferner, weist das Schichtsystem 100 das auf der ersten Seite 111 angeordnete Aufkonvertierungsmaterial 120 auf. Das Aufkonvertierungsmaterial 120 weist einzelne NaYF₄ Nanopartikelauf, die das erste Lanthanoid und das zweite Lanthanoid beinhalten. Das erste Lanthanoid ist Ytterbium und das zweite Lanthanoid ist Erbium. Die Nanopartikel haben eine durchschnittliche Partikelgröße von 25 nm.
8 zeigt eine Messung eines Ausschnitts eines Schichtsystems 100, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop. Für die in den 6 und 8 dargestellten Messungen wurde dabei dasselbe Schichtsystem verwendet.
9A zeigt eine winkelabhängige und anregungswellenlängenabhängige Transmissionsmessung des photonischen Kristalls 110. Der photonische Kristall 110 aus 9A entspricht dabei dem in 6 dargestellten photonischen Kristall 110 . Bereiche mit geringer Transmission deuten spektrale Lagen von Moden des photonischen Kristalls 110 an, welche zur Emissionsverstärkung genutzt werden können.
9B zeigt die winkelabhängige Verstärkung der Emission des Schichtsystems aus 6. Das Schichtsystem wurde durch eine Strahlungsquelle mit einer Wellenlänge von 976 nm angeregt. Die Verstärkung der Emission entspricht dabei dem Verhältnis der Emission des Schichtsystems aus 6 (jeweils bei einem bestimmten Winkel) und der Emission eines nicht erfindungsgemäßen Schichtsystems. Das nicht erfindungsgemäße Schichtsystem weist die gleichen Eigenschaften auf wie das in 6 gezeigte Schichtsystem, insbesondere bezüglich dem Aufkonvertierungsmaterial, auf, mit dem Unterschied, dass kein photonischer Kristall vorliegt, sondern eine Schicht aus Silizium, die, die gleiche Ausdehnung von der ersten Seite 111 zu der zweiten Seite 112 (65 nm) aufweist wie der in 6 dargestellte photonische Kristall 110. Durch das erfindungsgemäße Schichtsystem kann die Aufkonvertierungseffizienz um einen Faktor von mehr als Einhundert gegenüber dem nicht erfindungsgemäßen Schichtsystem gesteigert werden.
10A zeigt eine Transmissionsmessung unter gleichen Versuchsbedingungen wie in 9A, mit dem Unterschied, dass der photonische Kristall 110 von der ersten Seite 111 zu der zweiten Seite 112 eine Ausdehnung von 120 nm aufweist.
10B zeigt die winkelabhängige Verstärkung der Emission unter gleichen Versuchsbedingungen wie in 9B, mit dem Unterschied, dass sowohl der photonische Kristall 110 des erfindungsgemäßen Schichtsystems als auch die Siliziumschicht des nicht erfindungsgemäßen Schichtsystems von der ersten Seite 111 zu der zweiten Seite 112 eine Ausdehnung von 120 nm aufweisen.
Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011111629 A1 [0037]
WO /2013/027123 A1 [0037]

Claims

Schichtsystem (100) für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung, aufweisend: - ein, bevorzugt zweidimensionaler, photonischer Kristall (110) mit einer ersten (111) und einer zweiten Seite (112); - ein auf der ersten Seite (111) und/oder der zweiten Seite (112) angeordnetes Aufkonvertierungsmaterial (120), wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) ein erstes Lanthanoid enthält, wobei das erste Lanthanoid bevorzugt Neodym oder Ytterbium ist; und wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) ein zweites Lanthanoid enthält, wobei das zweite Lanthanoid bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Erbium, Thulium und Holmium ausgewählt ist, wobei der photonische Kristall (110) mittels Nanoprägelithographie hergestellt ist.
Schichtsystem nach Anspruch 1, wobei das Teilchenverhältnis zwischen erstem Lanthanoid und zweitem Lanthanoid höchstens 99:1 und/oder mindestens 1:1 beträgt.
Schichtsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) eine Schichtdicke von höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 300 nm, aufweist.
Schichtsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) ferner eine Trägermatrix aufweist, wobei das erste Lanthanoid und das zweite Lanthanoid auf oder in der Trägermatrix angeordnet sind, insbesondere wobei die Trägermatrix eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Nanopartikel, einem Mikropartikel, einem Film, einer Membran, und Kombinationen hiervon aufweist.
Schichtsystem nach Anspruch 4, wobei die Nanopartikel eine durchschnittliche Partikelgröße von mindestens 1 nm und/oder höchstens 100 nm, oder die Mikropartikel eine durchschnittliche Partikelgröße von mindestens 0.1 µm und/oder höchstens 100 µm aufweisen.
Schichtsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Ausdehnung des photonischen Kristalls (110) von der ersten Seite (111) zu der zweiten Seite (112) mindestens 20 nm, bevorzugt mindestens 60 nm, und/oder höchstens 5000 nm, bevorzugt höchstens 500 nm beträgt.
Schichtsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der photonische Kristall (110) ein erstes Material aufweist, wobei das erste Material aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, III/V-Halbleiter, Germanium und Silizium ausgewählt ist, bevorzugt ist das erste Material Silizium.
Schichtsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der photonische Kristall (110) parallel zur ersten Seite (111) eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Löchern (113) oder Erhebungen (114) aufweist, wobei bevorzugt die Löcher (113) oder Erhebungen (114) im Wesentlichen hexagonal angeordnet sind.
Schichtsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Löcher (113) oder Erhebungen (114) einen mittleren Abstand von mindestens 100 nm, bevorzugt mindestens 300 nm und/oder höchstens 3 µm, bevorzugt höchstens 1.5 µm aufweisen und/oder wobei die Löcher (113) oder Erhebungen (114) einen mittleren Durchmesser von mindestens 20 nm, bevorzugt mindestens 50 nm und/oder höchstens 3 µm, bevorzugt höchstens 1.5 µm aufweisen.
Schichtsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner dazu eingerichtet nahinfrarote Strahlung bei im Wesentlichen senkrechtem Einstrahlwinkel, zu absorbieren, und/oder ferner dazu eingerichtet aufkonvertierte Strahlung isotrop oder gerichtet zu emittieren.
Schichtsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend ein an der zweiten Seite (112) angeordnetes Substrat (130), wobei optional das Substrat (130) ablösbar an der zweiten Seite (112) aufgebracht ist, bevorzugt wobei das Substrat (130) eine Membran oder ein Film ist.
Schichtsystem für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung, aufweisend: - ein, bevorzugt zweidimensionaler, photonischer Kristall (110) mit einer ersten (111) und einer zweiten Seite (112); - ein auf der ersten Seite (111) angeordnetes Aufkonvertierungsmaterial (120), wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) ein erstes Lanthanoid enthält, wobei das erste Lanthanoid bevorzugt Neodym oder Ytterbium ist; und wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) ein zweites Lanthanoid enthält, wobei das zweite Lanthanoid bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Erbium, Thulium und Holmium ausgewählt ist; - ein an der zweiten Seite (112) angeordnetes Substrat (130), wobei optional das Substrat (130) ablösbar an der zweiten Seite (112) aufgebracht ist, bevorzugt wobei das Substrat (130) eine Membran oder ein Film ist.
Schichtsystem nach Anspruch 13, wobei das Substrat (130) transparent ist und/oder wobei das Substrat (130) eines aus der Gruppe bestehend aus einem Glass, einem transparenten Polymer und Zellulose aufweist.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der photonische Kristall (110) mittels Nanoprägelithographie hergestellt ist.
Schichtsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei entlang der ersten Seite (111) das Schichtsystem, insbesondere der photonische Kristall (110), eine Ausdehnung von mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 1 cm, und noch bevorzugter mindestens 3 cm aufweist.
Schichtsystem für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung, erhältlich durch die Schritte: - Herstellen eines, bevorzugt zweidimensionalen, photonischen Kristalls (110) mit einer ersten (111) und einer zweiten Seite (112) mittels Nanoprägelithographie; - Aufbringen eines Aufkonvertierungsmaterials (120) auf die erste Seite (111) und/oder der zweiten Seite (112) des photonischen Kristalls (110), wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) ein erstes Lanthanoid enthält, wobei das erste Lanthanoid bevorzugt Neodym oder Ytterbium ist; und wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) ein zweites Lanthanoid enthält, wobei das zweite Lanthanoid bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Erbium, Thulium und Holmium ausgewählt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems für die Aufkonvertierung von nahinfraroter und/oder sichtbarer Strahlung, das Verfahren umfassend: - Bilden eines, bevorzugt zweidimensionalen, photonischen Kristalls (110) mit einer ersten (111) und einer zweiten Seite (112) mittels Nanoprägelithografie; - Aufbringen eines Aufkonvertierungsmaterials (120) auf die erste Seite (111) und/oder der zweiten Seite (112) des photonischen Kristalls (110), wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) ein erstes Lanthanoid enthält, wobei das erste Lanthanoid bevorzugt Neodym oder Ytterbium ist; und wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) ein zweites Lanthanoid enthält, wobei das zweite Lanthanoid bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Erbium, Thulium und Holmium ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Aufkonvertierungsmaterial (120) mittels einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schleuderbeschichtung, Sprühbeschichtung, Tropfbeschichtung, Tauchbeschichtung oder Sol-Gel-Verfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei das Bilden des photonischen Kristalls (110) ein Aufbringen eines ersten Materials mittels physikalischer Gasphasenabscheidung umfasst.
Verwendung des Schichtsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 16 für eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Bildschirm; einer Nanolampe; einer Photovoltaikanlage; und einem Sensor, insbesondere ein Sensor zur Bestimmung von elektromagnetischen Feldstärken in photonischen Strukturen, einem Sensor zur Bestimmung einer Strahlungsstärke einer Strahlungsquelle, ein Feuchtigkeitssensor, ein Drucksensor, ein Temperatursensor, ein Sensor zum Nachweis von Wasser, einem Biosensor, einem Bio-Assay.