Projektbereich C:
Materialsysteme für die Photonik bei hohen Temperaturen
Im Projektbereich C werden neuartige hierarchische nanostrukturierte Materialsysteme auf der Basis von thermisch stabilen Keramiken und Metallen für die Photonik bei hohen Temperaturen mit Anwendungsperspektiven für thermophotovoltaische Systeme (TPV) und Thermal Barrier Coatings (TBC) untersucht. Insbesondere sind hier direkte und invertierte 3D-photonische Kristallstrukturen (PhK) und neuartige optisch hyperbolische Medien zu nennen. Die PhK weisen aufgrund ihrer Periodizität und aufgrund des Brechungsindexkontrastes eine photonische Bandstruktur auf, die mit photonischen Bandlücken, mit Bereichen besonders hoher photonischer Zustandsdichten und mit speziellen Dispersionsrelationen einhergeht. Die in orientierten Carbon Nanotube (CNT)-Teppichen und in anodisch oxidiertem und metallgefüllten Al2O3 zu realisierenden optisch hyperbolischen Medien weisen eine divergierende optische Zustandsdichte für bestimmte Propagationsrichtungen auf und sind zur effektiven Übertragung von Strahlungsleistung unter Beteiligung von Nahfeldern in der Lage. Die dargestellten Eigenschaften sollen hier genutzt werden, um in TBCs thermische Strahlung stark und gerichtet zu reflektieren bzw. um in TPV-Systemen Strahlung effektiv und effizient zu koppeln.
Die Bearbeitung der beiden dargestellten wissenschaftlichen Fragestellungen zu TPV- und TBC-Systemen soll analog zu den Ansätzen der Projektbereiche A und B erfolgen, bei denen es um die Frage geht, wie insbesondere mechanische und elektrische Eigenschaften auf der Makroskala von denen auf den niedrigeren Hierarchieebenen abhängen. Projektbereich C beschäftigt sich mit der Frage, wie besondere photonische Funktionalitäten wie eine starke hemisphärische Reflexion oder eine starke optische Kopplung aber auch bestimmte thermische Eigenschaften auf der Makroskala durch die Nano- und Mikroskala beeinflusst werden.
C1: Multiskalige photonische Materialien mit anpassbarer Absorption und thermischer Emission
Eine starke optische Kopplung zwischen Emitter und photovoltaischer Zelle hat das Potenzial, die durch thermische Strahlung erzeugte elektrische Leistung in Thermophotovoltaik (TPV)–Systemen signifikant zu erhöhen. Weiter...
C2: Multiskalige photonische Materialien mit anpassbarer radialer Anisotropie
Die übergreifende Fragestellung des Teilprojekts ist die Modellierung und Charakterisierung der Reflexion elektromagnetischer Strahlung an multiskaligen, porösen keramischen Strukturen unter Hochtemperaturbedingungen. Weiter...
C3 (beendet): Lithographisch gesteuerte Assemblierung und ALD-Beschichtung von 2D- und 3D-Porenstrukturen für die Thermophotovoltaik und als thermische Barriereschichten
Zur Anwendung in der Thermo-Photovoltaik oder als Thermische Barriereschichten sollen periodisch geordnete Nanostrukturen aus Metallen und Oxiden entwickelt werden. Weiter...
C4: Additive Fertigung durch Selbstassemblierung kolloidaler Suspensionen für maßgeschneiderten photonischen Eigenschaften
Im Projekt C4 soll ein effizientes Verfahren entwickelt werden, das mittels Selbst- und Koassemblierung die Abscheidung von großflächigen keramischen photonischen Kristallen ermöglicht. Die Selbstassemblierung stellt bei der Herstellung von 3-dimensionalen periodischen Strukturen eine kostengünstige Alternative zur Photolithographie dar. Weiter...
C5 (beendet): Oxidische Hochtemperatur-Schutzschichtsysteme mittels angepasster Porenstruktur
Ziel dieses Teilprojekts ist die Analyse der bei hohen Temperaturen auftretenden Strukturänderungen photonischer Kristalle sowie die Entwicklung von Konzepten für eine verbesserte Hochtemperaturstabilität poröser Keramiken. Beide Teilaspekte sind dabei stark vernetzt, um so die relevanten Parameter sowohl zu identifizieren als auch zu quantifizieren. Basierend auf den bisherigen Arbeiten mit TiO2, Al2O3 und YSZ werden Hochtemperatur-stabile Oxide wie Al- bzw. Y-Silikate als Matrix für invertierte photonische Kristalle und Gläser entwickelt. Weiter...
C6 (beendet): Keramische Mikropartikel: Bausteine für photonische Hochtemperaturwerkstoffe
Im Teilprojekt C6 werden die im Projektbereich C benötigten und kommerziell nicht erhältlichen Keramikpartikel hergestellt. Weiter...
C7 (beendet): Deposition und Stabilität von hochtemperaturfesten geschichteten Metamaterialien
Das Einsatzgebiet geschichteter Metamaterialien als Emitter für Thermophotovoltaik, in denen Wärme in Elektrizität umgewandelt wird, ist aufgrund niedrigschmelzender Metalle limitiert. Die Synthese selektiver Absorber/Emitter-Metamaterialien mit hochschmelzenden Refraktärmetallen, Nitriden sowie Carbiden für höchste Temperaturen (>1000°C) ist die wissenschaftliche Herausforderung. Weiter...
C8: Einstellbare radial anisotrope sowie schaltbare Nanostrukturen für pohotonische Anwendungen
In diesem neuen Forschungsprojekt werden sowohl sphärische als auch zylindrische Nanostrukturen durch Atomlagenabscheidung (ALD) für photonische Anwendungen hergestellt. Diese radialsymmetrischen Strukturen weisen aufgrund einer definierten Abfolge isotroper Schichten eine effektive radiale Anisotropie des Brechungsindexes auf. Weiter...
C9: Lochemission aus anpassbaren metallischen Metamaterialien
Anhand der im Folgenden vorgestellten Vorarbeiten und Ergebnisse soll im Forschungsprojekt C9(N) gezeigt werden, dass und wie das anpassungsfähige, multiskalige Metamaterial "nanoporöses Gold" als effizientes Emittermaterial für photonisch erzeugte elektronische Defizite (Löcher) wirken kann. Weiter...
C10: Photonische Metamaterialien in anpassbarer und schaltbarer Anisotropie durch Funktionalisierung von porösen Festkörpern mit Flüssigkristallen
In diesem Teilprojekt wird die Selbstorganisation molekularer Systeme mit flüssigkristallinen Phasen mit selbstorganisierter Nanoporosität in monolithischen Festkörpern aus Silizium, Quarzglas und anodisch oxidiertem Aluminium (AAO) kombiniert, die von parallelen zylindrischen Nanoporen durchzogen sind, um optische Materialien mit abstimmbarer und schaltbarer linearer und zirkularer Doppelbrechung zu entwickeln. Weiter...