Anwendung von Elektronenstrahltechnologien zur Oberflächenmodifizierung

und zum Defekt-Engineering nano- und quantensensorischer Materialien

Ziel des Themenschwerpunktesist die anwendungsorientierte Herstellung und Weiterentwicklung von nano- und quantensensorischen Materialien bezüglich verbesserter Sensitivität, Robustheit und Integrationsfähigkeit. Dabei steht die Anwendung von Elektronenstrahltechnologien im Zentrum der präparativen Forschung. Elektronenstrahlbasierte Verfahren stellen ein präzises Werkzeug zur gezielten Oberflächenmodifikation und zur Erzeugung kontrollierter Defektzentren in Festkörpermaterialien dar.

Unsere Arbeit fokussiert auf die drei Kernaspekte:

  • strahleninduzierte Erzeugung von Defektzentren in Nanopartikel und Festkörpern, insbesondere NV-Zentren (Stickstoff-Fehlstellen-Zentren) in Diamanten.
  • strahlenchemische Oberflächenfunktionalisierung als schnelle (durchschnittliche Reaktionszeit ≤ 1 min), umweltfreundliche und selektive Alternative zur klassischen Chemie für die Funktionalisierung von Oberflächen, mit einfachen funktionellen Gruppen bis hin zur Anbindung komplexer Moleküle wie Wirkstoffe, Enzyme oder Antikörper.
  • Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Defektzentren mittels hochauflösender spektroskopischer, thermischer und mikroskopischer Verfahren hinsichtlich daraus resultierender Auswirkungen auf die Sensitivität und Stabilität der Quantensensoren.

Die von uns entwickelten Sensoren finden anschließend Anwendung in der:

  • Daten-, Automobil und Elektronikindustrie, zum Beispiel als Sensoren für Lithiumbatterien oder als Langzeit-Datenspeicher
  • Biotechnologie und Medizin als Drug-Delivery-Systeme oder als Sensoren in der Tumor-Früherkennung
  • Heterogenen Katalyse, zum Beispiel als hochsensitive Wasserstoffsensoren

Expertise

  • Synthese und Modifikation optisch aktiver Nanopartikel und Quantensensoren
  • Strahlenchemie an Oberflächen und Defekt-Engineering in Festkörpern
  • Analyse und Optimierung optischer Eigenschaften von Nanopartikeln
  • Nanopartikel-Polymer-Grenzflächen
  • Entwurf selektiver optischer Sensorvorrichtungen

Highlights

  • Isotropic Scalar Quantum Sensing of Magnetic Fields for Industrial Application
    R. Staacke; R. John; R. Wunderlich; L. Horsthemke; W. Knolle; C. Laube; P. Glösekötter; B. Burchard; B. Abel; J. Meijer, Adv. Quantum Technol. 2020, 3 (8), 2000037; DOI: https://doi.org/10.1002/qute.202000037
     
  • Facet-selective etching trajectories of individual semiconductor nanocrystals
    C. Yan, D. Byrne, J. C. Ondry, A. Kahnt, I. A. Moreno-Hernandez, G. A. Kamat, Z.-J. Liu, C. Laube, M. F. Crook, Y. Zhang, P. Ercius, P.A. Alivisatos, Science Advanced, 2022, 8, eabq1700.

  • Fluorescence Lifetime Control of Nitrogen Vacancy Centers in Nanodiamonds for Long-Term Information Storage
    C. Laube, R. Temme, A. Prager, J. Griebel, W. Knolle, and B. Abel, ACS Nano, 2023, 17 (16), 15401-15410.

  • Radiation Chemistry-Based Molecule Grafting: A Fast Track to Diamond-Based Hybrid Sensors
    C. Laube, I. Zwanck, M. Hanisch, L. Langguth, R. Staacke, R. Konieczny, A. Prager, J. Griebel, S. Zahn, W. Knolle, Chemistry of Materials, 2024, 36, 9, 4368-4378.

  • 13C hyperpolarization with nitrogen-vacancy centers in micro- and nanodiamonds for sensitive magnetic resonance applications
    R. Blinder, Y. Mindarava, M. Korzeczek, A. Marshall, F. Glöckler, S. Nothelfer, A. Kienle, C. Laube, W. Knolle, F. Jelezko, Science Advanced,2025,11, eadq6836.