Deutsch-japanische Forschungsprojekte "Optik und Photonik"

Projektverantwortliche, deutsche Teilvorhaben:

• Dr. Christian Grebing, Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF), Jena
• Dr. Peter Rußbüldt, Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT), Aachen
• Dr. Tino Eidam, Active Fiber Systems GmbH, Jena

Japanische Partner:

• Prof. Kaoru Yamanouchi, University of Tokyo
• Prof. Masakazu Washio, Waseda University
• Dr. Muneo Sugiura, TOKAI OPTICAL Co. Ltd.

Laufzeit: 1.10.2020-30.09.2023

In den letzten Jahren haben sich kohärente extrem ultraviolette (EUV) Quellen, die auf lasergetriebener Erzeugung hoher Gasharmonischer (HHG) basieren, rasant entwickelt. Diese Art Strahlung erlaubt aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften die Untersuchung von physikalischen, chemischen und biologischen Phänomenen auf kleinsten räumlichen und zeitlichen Skalen und eröffnet damit eine Vielfalt an neuartigen wissenschaftlichen aber auch industriellen Anwendungen. Ziel des Verbundprojektes MIRROR ist ein signifikanter Beitrag zur Bereitstellung von Synchrotron-ähnlicher Strahlung in einem kompakten und kosteneffektiven Format zu leisten. Das dabei verfolgte Konzept basiert auf der Verwendung von faserbasierten leistungsstarken Treiberlasern mit längerer Wellenlänge, um den Photonenfluss bei hohen Photonenenergien deutlich zu steigern. In MIRROR haben sich die Partner University of Tokyo, die Waseda University sowie Tokai Optical Co. Ltd. aus Japan mit den Fraunhofer Instituten IOF und ILT und der Active Fiber Systems GmbH aus Deutschland zusammengeschlossen, um neuartige Optiken und Quellen im nahen und mittleren Infrarotbereich (IR) zu entwickeln und diese als Treiber zur Erzeugung von kohärenter EUV-Strahlung einzusetzen. Dabei konzentrieren sich die akademischen Partner in beiden Ländern auf die Laserquellen bei >2µm Wellenlänge. Der japanische Industriepartner entwickelt Optiken, die unerlässlich für das Handling der Hochleistungslaserstrahlung sind, wie zum Beispiel dispersive Spiegel mit geringem Wärmeeintrag aber auch Optiken zur Trennung von IR und EUV Strahlung. Diese Optiken sind derzeit nicht kommerziell in ausreichender Qualität erhältlich, somit bestimmt die Zusammenarbeit mit der japanischen Seite über den Erfolg des Gesamtprojekts. Der deutsche Industriepartner widmet sich der Entwicklung einer kohärenten Quelle, die hohe Leistungen im EUV bis in den weichen Röntgenbereich hinein bereitstellt. Die japanischen und deutschen Forschungsinstitute bringen dabei ihre Erfahrungen ein und unterstützen diese Entwicklungen tatkräftig. Die Industriepartner sehen vielversprechende Verwertungsmöglichkeiten (Halbleiterindustrie, Mikrobiologie, Medizin). Durch die im Rahmen des Projektes gewonnene Verbindung nach Japan eröffnet sich potentiell ein besserer Zugang zum japanischen bzw. asiatischen Markt.

Projektverantwortliche, deutsche Teilvorhaben:

• Prof. Dr. Karl Leo, TU Dresden
• Dr. Ronny Timmreck, Sensorics GmbH, Dresden

Japanische Partner:

• Prof. Dr. Junji Kido, Yamagata University
• Keiichi Ito, ITO Elecronics Co. Ltd.

Laufzeit: 1.10.2020-30.09.2023

Das FLEXMONIRS Projekt dient der Stärkung der Vernetzung von vier Forschungs- und Industriepartnern aus Sachsen und der Region Yonezawa in Japan für die Erreichung gemeinsamer wissenschaftlicher und ökonomischer Ziele: die Entwicklung von miniaturisierten spektroskopischen Nahinfrarot(NIR)-Sensorsystemen zur Verwendung z.B. in Lebensmittelverpackungen. NIR Sensoren spielen in vielen Märkten eine wichtige Rolle, beispielsweise für Prozesse in der Qualitätskontrolle oder die Identifikation von bestimmten Molekülen. Aktuelle Messsysteme sind jedoch entweder groß, schwer und teuer oder nicht für Wellenlängen jenseits von 1000 nm sensitiv. Dadurch sind diese Systeme in ihren Einsatzmöglichkeiten stark beschränkt. Die Technische Universität Dresden und Senorics haben einen organischen NIR Detektor entwickelt, der die Anwendungsszenarien für spektroskopische NIR Analysen mit kostengünstigen, hochfunktionalen und vor allem miniaturisierten Bauteilen tiefgreifend revolutionieren wird. Für die Miniaturisierung fehlt jedoch bisher eine kompatible Lichtquelle, die kostengünstig in ein Gesamtsystem integrierbar ist. Neue Forschungsergebnisse der Yamagata Universität zu NIR-OLEDs zeigen, dass kompatible Systeme durchaus möglich sind und als Pendant zum organischen Sensor die Herstellung von dualen NIR- Sensorsystemen erlauben. Die Entwicklung solcher NIR-OLEDs mit Emissionswellenlängen jenseits von 1000 nm würde die Entwicklung entsprechender Sensorsysteme für viele Anwendungsbereiche beschleunigen. Mit der Erfahrung von ITO Electronics im Bauteildesign und der Massenproduktion von miniaturisierten elektronischen Modulen kann im Projekt ein Prototyp eines integrierten NIR-OLED-Sensorsystems realisiert werden, der die beiden organischen Schwestertechnologien in einem Bauteil vereint.

Projektverantwortliche, deutsche Teilvorhaben:

• Prof. Dr. Wolfgang Fritzsche, Leibniz Institut für Photonische Technologien (IPHT), Jena
• Thomas Ruhl, Temicon GmbH, Dortmund

Japanische Partner:

• Prof. Dr. Eiichi Tamiya, Osaka University, Osaka
• Assoc. Prof. Shin-ichi Tanaka, Kure National College of Technology, Kure, Hiroshima
• Dr. Yasushi Nishimori, Furuno Electric Co. Ltd., Nishinimiya, Hyogo
• Dr. Hiromi Ushijima, Biodevice Technology Ltd., Nomi, Ishikawa
• Dr. Bin Fan, Optorun Ltd., Kawagoe, Saitama

Laufzeit: 1.10.2020-30.09.2023

Das Vorhaben PlasmonBioSense adressiert die Entwicklung und Erprobung neuartiger multifunktionaler plasmonischer Sensor-Substrate für Einsätze in der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (LSPR, localized surface plasmon resonance, Leibniz-IPHT) und der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie SERS (surface enhanced Raman spectroscopy, japanische Partner). Diese Substrate basieren auf nanostrukturierten Gold-Sensoren, die mit einer kosteneffizienten Replikationstechnik, der Nanoimprint-Lithographie (NIL), hergestellt werden (durch entsprechende Vertiefungen auf der Oberfläche, die anschließend mit Goldnanopartikeln gefüllt werden). Sie ermöglichen eine extrem hohe lokale Verstärkung
des elektromagnetischen Felds und damit höchste Sensitivität in LSPR wie in SERS. Es sind multifunktionale Sensoren geplant, die erstmals eine simultane Untersuchung einer Probe mit beiden Methoden erlauben. Das Konsortium verbindet Erfahrungen und Expertise in den Bereichen Nanostrukturierung, LSPR- und SERS-basierte Bioanalytik und Instrumentierung. Der deutsche Forschungspartner Leibniz-IPHT ist Experte in der Entwicklung neuartiger bioanalytischer Methoden auf der Basis von Nanosensoren insbesondere mit LSPR, während der Firmenpartner Temicon aus dem Bereich der Strukturierung einschließlich NIL kommt. Damit werden im deutschen Teil die NIL-Substrate präpariert nach entsprechendem Design und Modellierung. Anschließend werden LSPR-Substrate durch gezielte Befüllung der NIL-Strukturen mit Goldnanopartikeln realisiert. Nach einer Biofunktionalisierung der Sensorstrukturen werden diese für die DNA-Analytik getestet. Dieser Prozess wird durch die japanischen Partner mit ihren langjährigen Erfahrungen auf dem Gebiet der
SERS-Biosensoren und der dazugehörigen Instrumentierung synergetisch komplementiert. Das Projekt vereint Akteure mit Expertise zu LSPR- und SERS-Bioanalytik sowie Nanostrukturen und Instrumentierung, um neuartige und hochsensitive Substrate zu realisieren, die erstmals eine gleichzeitige Analyse einer Probe mit beiden komplementären Methoden erlauben, und sich reproduzierbar fertigen lassen. Mögliche Anwendungen liegen unter anderem in der DNA-basierten Bioanalytik, insbesondere bei dem Nachweis von Pathogenen (Wasserpathogene, Krankenhauskeime, Zoonosen-Erreger, wie Bakterien und Viren, auch Coronaviren). Durch die innovative Struktur sind weitere Anwendungsfelder erschließbar, wie Immunoassays zum Nachweis von Autoimmun-Krankheiten, sowie Immunitätsstadien.  Die neuartigen Nanosensoren erlauben durch die erhöhte Sensitivität vergleichbar der aktuellen SERS und LSPR-Sensorik einen besseren Nachweis von kleinerem Probenmengen. Die akademischen Partner möchten das Potential der neuen Nanostrukturen für das Einwerben zukünftiger Projekte mit neuen industriellen Partnern verwenden. Die Industriepartner streben eine zukünftige Produktion und Vermarktung der neuen Produkte an.