Development and optical monitoring of nanostructures for sensing  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
115852
Type K
Principal investigator Petrik, Péter
Title in Hungarian Érzékelő nanoszerkezetek fejlesztése és optikai monitorozása
Title in English Development and optical monitoring of nanostructures for sensing
Keywords in Hungarian szenzor, nanoszerkezet, ellipszometria, fotonikus szerkezet, scatterometria
Keywords in English sensor, nanostructure, ellipsometry, photonic structure, scatterometry
Discipline
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)70 %
Material Science and Technology (electronics) (Council of Physical Sciences)30 %
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research)
Participants Agócs, Emil
Bányász, István
Fodor, Bálint
Fried, Miklós
Kalas, Benjamin
Kozma, Péter Dániel
Kurunczi, Sándor
Lohner, Tivadar
Nádor, Judit
Németh, Attila
Saftics, András
Szilágyi, Edit
Starting date 2015-10-01
Closing date 2019-09-30
Funding (in million HUF) 15.942
FTE (full time equivalent) 12.59
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A biológiai anyagok, fehérjék, gázok, szennyezők mérésére alkalmazott szenzorok fejlesztésének egyik kulcsa az érzékelő rétegeik és felületeik tökéletesítése. A megfelelő rétegek és felületek, valamint az ezekhez alkalmazott anyagok és szerkezetek kiválasztása ezek nagy pontosságú vizsgálatán alapul. Ehhez elengedhetetlen a rétegek kialakulásának valamint az érzékelőrétegek szenzorikai közegükben (folyadék, gáz) történő in situ vizsgálata. A kutatás egyik fő célja új nanostrukturált és plazmonikus szenzorikai felületek létrehozása. A projekt résztvevőinek kompetenciája alapján vizsgálni tervezünk fehérje, titanát és szilika alapú nanoszálakat, nanogömböket, egyéb nanorészecskéket és rendezett felületi szerkezeteket, valamint ezek kölcsönhatását az érzékelni kívánt anyagokkal. A kutatás másik fő célja három nagy érzékenységű optikai módszer kifejlesztése: (1) a hullámvezető interferometriával kombibált spektroszkópia ellipszometria, (2) a több beesési szögű, plazmonikus erősítésű, spektroszkópiai Kretschmann ellipszometria és (3) a szórási vizsgálatokra alkalmas Fourier ellipszometria eljárások. Az előzetes vizsgálatok alapján már látható, hogy a kifejlesztendő módszerek a hagyományos eszközökhöz képest több nagyságreddel képesek megnövelni a mérési érzékenységet, javítani a modellek megbízhatóságát, s mindeközben képesek nagy (néhányszor 10 ms-os) időfelbontású monitorozó mérések végrehajtására.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A bioszenzorikában egyre nagyobb teret hódítanak a jelölésmentes módszerek. Ezek legfontosabb előnye abban áll, hogy a vizsgálandó biológiai mintákat nem szükséges jelölő molekulákkal ellátni, amelyek a vizsgálandó rendszer tulajdonságait módosíthatják, s a kísérleti eredményeket megváltoztathatják. A legelterjedtebb jelölésmentes módszerek tipikusan optikai eljárások, mivel ezekkel nagy érzékenységű, gyors, költséghatékony és roncsolásmentes vizsgálhatokat tesznek lehetővé akár a molekulák natív közegében (pl. folyadékban) is. A szenzorika napjainkig mind az érzékelő anyagok, mind a mérési módszerek tekintetében jelentős fejlődésen ment keresztül. A projekt ambíciózus célja ezen fejlesztésekhez hozzájárulni a szenrzoranyagok és ezek vizsgálati módszerei terén egyaránt. A munkatervünk két alapkérdése tehát: (1) milyen anyagokkal és szerkezetekkel növelhető a szenzorok érzékenysége, stabilitása, megbízhatósága, szelektivitása, illetve (2) milyen mértékben tudjuk az érzékenységet és a mérhető paraméterek mennyiségét a kifejlesztett mérési módszerekkel növelni.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A nanoszerkezetek tulajdonságainak és kialakulásának pontosabb vizsgálata és mélyebb megértése más alapkutatások számára is nagy jelentőséggel bír. Az anyagok és szerkezetek fejlesztése révén jobb szenzorok készíthetőek, amelyek a gyógyászattól a biztonságtechnikáig (pl. kórokozók vagy betegség markerek kimutatása, illetve gázérzékelő szenzorok) olyan alkalmazások rendkívül széles spektrumát ölelik fel, melyek társadalmi hasznossága megkérdőjelezhetetlen. Ehhez hasonlóan, a három optikai vizsgálati módszer fejlesztése nem csupán rövid távú és alkalmazott eredményekkel (a konkrét szenzor anyagok nagyobb pontosságú és megbízhatóbb vizsgálata), hanem alapkutatási és távlati jelentőséggel is bír. A kifejlesztett méréstechnika további más anyagok, projektek esetében is fontos lesz a jövőben.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A kitűzött kutatási program célja a szenzorikában használt szerkezetek és anyagok kifejlesztése és tökéletesítése, továbbá ezek vizsgálatára három különböző, nagy érzékenységű, in situ folyamatkövető, optikai vizsgálati módszer megvalósítása és tesztelése. A kutatásból szerzett tudás a szenzorika és a méréstechnika számos területén, a biológiai rendszerek fejlesztésétől a diagnosztikán át a biztonsági (gáz)érzékelő szenzorokig hasznosítható. A méréstechnika fejlesztése pedig lehetőséget biztosít ezen anyagrendszerek tulajdonságainak és működési mechanizmusainak jobb megismerésére és megértésére, ezáltal érzékenyebb és megbízhatóbb eszközök kifejlesztésére.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

A key of the development of sensors applied for the detection of biological molecules and proteins, gases or contaminants is the perfection of the sensing layers and surface structures. The selection of such layers and surfaces as well as the materials and structures applied for their creation is based on the characterization with high sensitivity. Thus, the in situ monitoring of the formation of the layers and the working of the sensor layers in native environment (e.g. gas or liquid) is indispensable. The first major aim of the proposed project is to create and improve nanostructured and plasmonic surface structures for sensing. Based on the competencies of the project partners, we plan to investigate protein, titanate, ZnO, (core-shell) gold and silica structures, nanospheres, nanowires, nanoparticles, ordered structures, and their interaction with targets. The other major aim of the project is to develop three high-sensitivity optical methods: (1) the combination of waveguide spectroscopy with ellipsometry, (2) the multiple angle of incidence, plasmon enhanced, spectroscopic Kretschmann ellipsometry and (3) the Fourier ellipsometry for scatterometry measurements. According to our preliminary investigations (under publication), it is foreseeable that all of these methods to be developed multiply the sensitivity of common tools with orders of magnitudes, increase the reliability of the models and are capable of high speed monitoring (down to an acquisition rate of 10 ms).

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

Label-free methods are getting wide-spread in biosensorics. The major advantage of label-free techniques is that the biological specimen to be investigated does not have to be labelled; the labels can change the properties of the system of interest and the results of the measurement can be in turn modified. Most important label-fee approaches are the optical methods, since they make possible quick, cost-effective and nondestructive measurements with high sensitivity even in the native environment of the molecules (e.g. in liquid). The sensorics (sensing materials as well as measurement methods) has been remarkably developed in the recent years. The ambitious goal of the proposed project is to contribute to the development of both the sensing materials and the measurement methods. Therefore, the two major questions of our work plan are: (1) which materials and structures are best to improve the sensitivity, stability, reliability and selectivity of sensors, and (2) to what extent can the sensitivity and the number of measurement parameters be increased by the developed methods.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The investigation and the deeper understanding of formation and properties of nanostructures have a great importance on the basic research, as well. The development of materials and structures induces the realization of more capable sensors, of which importance in various application fields from the medicine (e.g. detection of germs, monitoring of disease markers) to the security technology (e.g. gas sensors) are indubitable. Similarly to this, the development of the three optical methods has not only short-term results (the investigation of particular sensor materials with higher accuracy and reliability), but it has a long-range impact on the basic research, as well. The technology planned to be developed is expected to be important for the case of other materials and projects of the future.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

The aim of the proposed research program is the development and perfection of new sensor structures and sensor materials and, for their investigation and in situ monitoring, the realization and testing of three different optical measurement methods of high sensitivity. The knowledge gained from this research can be utilized in various fields of sensorics and other measurement technologies from the improvement of biological systems and diagnostics to the security (gas)sensors. The development of the measurement techniques opens prospects for the understanding of the properties and working mechanisms of these systems and in turn for the realization of even more sensitive and reliable tools.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Az egy év hosszabbítást kihasználtuk összefoglaló publikáció írására (Kalas et al. 2019) valamint előremutató koncepciók kidolgozására [kal19b] (Lohner et al., 2018). A kiterjesztett fűthető cellát atomerőművi cirkónium rudak in situ optikai oxidációs vizsgálatára alkalmaztuk. Feltérképeztük a rendszer korlátait, és referencia törésmutató adatokat határoztunk meg az ultraviola, a látható, a közeli infra és a közép infra hullámhossztartományokban egyaránt. (Petrik et al., 2019) [ago19a] A filamentumok adszorpciós kinetikáját tartalmazó modell [rom19a] és ennek egy alkalmazási példája [lab19a] egyaránt publikálás alatt áll. [ago19a] E. Agócs, et al., “Environmental ellipsometry on metal surfaces”, ICSE-8, 8. Int. Conf. on Spectroscopic Ellipsometry, 2019.05.26-31 Barcelona, Spain (poster). [kal19b] B. Kalas, et al., “Combinatorial biosensing by total internal reflection spectroscopic ellipsometry”, CAS 2019, International Semiconductor Conference, October 9-11, 2019, Sinaia, Romania (talk). [lab19a] Z. Lábadi, et al,”Detection of Arsenic in water using bacterial flagellin variants”, EMRS Fall Meeting, Warsaw, September, 2019 (poster). [rom19a] A. Romanenko, et al., “Real Time Characterization of Filamental Nano-objects at Solid-liquid Interfaces – Numerical Reconstruction from SE Measurements”, ICSE-8, 8. Int. Conf. on Spectroscopic Ellipsometry, 2019.05.26-31 Barcelona, Spain (poster).
Results in English
The one-year extension was used to write a review on the project (Kalas et al. 2019) and to develop concepts for future directions [kal19b] (Lohner et al., 2018). The expanded heat cell was used for in situ optical oxidation analysis of zirconium tubes for nuclear power plants. Limits of the system were identified and reference refractive index data were determined for the ultraviolet, visible, near-infrared, and mid-infrared wavelength ranges. (Petrik et al., 2019) [ago19a] A model containing the adsorption kinetics of filaments [rom19a] and an example of its application [lab19a] are both being published. [ago19a] E. Agócs, et al., “Environmental ellipsometry on metal surfaces”, ICSE-8, 8. Int. Conf. on Spectroscopic Ellipsometry, 2019.05.26-31 Barcelona, Spain (poster). [kal19b] B. Kalas, et al., “Combinatorial biosensing by total internal reflection spectroscopic ellipsometry”, CAS 2019, International Semiconductor Conference, October 9-11, 2019, Sinaia, Romania (talk). [lab19a] Z. Lábadi, et al.,”Detection of Arsenic in water using bacterial flagellin variants”, EMRS Fall Meeting, Warsaw, September, 2019 (poster). [rom19a] A. Romanenko, et al., “Real Time Characterization of Filamental Nano-objects at Solid-liquid Interfaces – Numerical Reconstruction from SE Measurements”, ICSE-8, 8. Int. Conf. on Spectroscopic Ellipsometry, 2019.05.26-31 Barcelona, Spain (poster).
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=115852
Decision
Yes





 

List of publications

 
Agocs Emil, Kozma Peter, Nador Judit, Hamori Andras, Janosov Milan, Kalas Benjamin, Kurunczi Sandor, Fodor Balint, Ehrentreich-Förster Eva, Fried Miklos, Horvath Robert, Petrik Peter: Grating coupled optical waveguide interferometry combined with in situ spectroscopic ellipsometry to monitor surface processes in aqueous solutions, APPLIED SURFACE SCIENCE in press: p. in press. 6 p., 2016
Fodor B, Kozma P, Burger S, Fried M, Petrik P: Effective medium approximation of ellipsometric response from random surface roughness simulated by finite-element method, THIN SOLID FILMS in press: p. in press. 5 p., 2016
Fodor Balint, Agocs Emil, Bardet Benjamin, Defforge Thomas, Cayrel Frederic, Alquier Daniel, Fried Miklos, Gautier Gael, Petrik Peter: Porosity and thickness characterization of porous Si and oxidized porous Si layers – an ultraviolet-visible-mid infrared ellipsometry study, MICROPOROUS AND MESOPOROUS MATERIALS 127: pp. 112-120., 2016
Judit Nador, Benjamin Kalas, Andras Saftics, Emil Agocs, Peter Kozma, Laszlo Korosi, Inna Szekacs, Miklos Fried, Robert Horvath, Peter Petrik: Plasmon-enhanced two-channel in situ Kretschmann ellipsometry of protein adsorption, cellular adhesion and polyelectrolyte deposition on titania nanostructures, OPTICS EXPRESS 24:(5) pp. 4812-4823., 2016
Agocs Emil, Kozma Peter, Nador Judit, Hamori Andras, Janosov Milan, Kalas Benjamin, Kurunczi Sandor, Fodor Balint, Ehrentreich-Förster Eva, Fried Miklos, Horvath Robert, Petrik Peter: Grating coupled optical waveguide interferometry combined with in situ spectroscopic ellipsometry to monitor surface processes in aqueous solutions, Applied Surface Science 421: pp. 289-294, 2017
Fodor B, Kozma P, Burger S, Fried M, Petrik P: Effective medium approximation of ellipsometric response from random surface roughness simulated by finite-element method, Thin Solid Films 617: pp. 20-24, 2016
Agocs E, Zolnai Z, Rossall AK, van den Berg JA, Fodor B, Lehninger D, Khomenkova L, Ponomaryov S, Gudymenko O, Yukhymchuk V, Kalas B, Heitmann J, Petrik P: Optical and structural characterization of Ge clusters embedded in ZrO2, Applied Surface Science 421: pp. 283-288., 2017
Andras SAFTICS, Sándor KURUNCZI, Barbara TÜRK, Emil AGÓCS, Benjámin KALAS, Péter PETRIK, Miklós FRIED, Attila SULYOK, Szilvia BŐSZE, Robert HORVATH: SPIN COATED CARBOXYMETHY L DEXTRAN LAYERS ON TiO2-SiO2 OPTICAL WAVEGUIDE SURFACES, REVUE ROUMAINE DE CHIMIE 62:(10) pp. 775-782., 2017
Fodor B, Defforge T, Agócs E, Fried M, Gautier G, Petrik P: Spectroscopic ellipsometry of columnar porous Si thin films and Si nanowires, Applied Surface Science 421: pp. 397-404, 2017
Kalas B, Nador J, Agocs E, Saftics A, Kurunczi S, Fried M, Petrik P: Protein adsorption monitored by plasmon-enhanced semi-cylindrical Kretschmann ellipsometry, Applied Surface Science 421: pp. 585-592, 2017
Lohner T, Serényi M, Szilágyi E, Zolnai Z, Czigány Z, Khánh NQ, Petrik P, Fried M: Spectroellipsometric detection of silicon substrate damage caused by radiofrequency sputtering of niobium oxide, Applied Surface Science 421: pp. 636-642, 2017
Petrik P, Sulyok A, Novotny T, Perez-Feró E, Kalas B, Agocs E, Lohner T, Lehninger D, Khomenkova L, Nagy R, Heitmann J, Menyhard M, Hózer Z: Optical properties of Zr and ZrO2, Applied Surface Science 421: pp. 744-747, 2017
Andras SAFTICS, Sándor KURUNCZI, Barbara TÜRK, Emil AGÓCS, Benjámin KALAS, Péter PETRIK, Miklós FRIED, Attila SULYOK, Szilvia BŐSZE, Robert HORVATH: SPIN COATED CARBOXYMETHY L DEXTRAN LAYERS ON TiO2-SiO2 OPTICAL WAVEGUIDE SURFACES, REVUE ROUMAINE DE CHIMIE 62:(10) pp. 775-782., 2017
Petrik P, Agocs E, Kalas B, Fodor B, Lohner T, Nador J, Saftics A, Kurunczi S, Novotny T, Perez-Feró E, Nagy R, Hamori A, Horvath R, Hózer Z, Fried M: Nanophotonics of biomaterials and inorganic nanostructures, Journal of Physics-Conference Series, 794:(1) Paper 012004. 10 p. (2017), 2017
Kalas Benjamin, Pollakowski Beatrix, Nutsch Andreas, Streeck Cornelia, Nador Judit, Fried Miklós, Beckhoff Burkhard, Petrik Péter: Ellipsometric and X-Ray Spectrometric Investigation of Fibrinogen Protein Layers, physica status solidi c-current topics in solid state physics 14:(12) Paper 1700210. (2017), 2017
Fogarassy Z, Petrik P, Duta L, Mihailescu IN, Anastasescu M, Gartner M, Antonova K, Szekeres A: TEM and AFM studies of aluminium nitride films synthesized by pulsed laser deposition, Applied Physics A - materials science and processing 123:(12) Paper 756. 12 p. (2017), 2017
Lohner Tivadar, Kalas Benjamin, Petrik Peter, Zolnai Zsolt, Serényi Miklós, Sáfrán György: Refractive Index Variation of Magnetron-Sputtered a-Si1−xGex by “One-Sample Concept” Combinatory, Applied Sciences-Basel 8:(5) Paper 826. (2018), 2018
Hristova-Vasileva T, Petrik P, Nesheva D, Fogarassy Z, Lábár J, Kaschieva S, Dmitriev SN, Antonova K: Influence of 20 MeV electron irradiation on the optical properties and phase composition of SiOx thin films, Journal of Applied Physics 123:(19) Paper 195303. 8 p. (2018), 2018
Gurbán S, Petrik P, Serényi M, Sulyok A, Menyhárd M, Baradács E, Parditka B, Cserháti C, Langer GA, Erdélyi Z: Electron irradiation induced amorphous SiO 2 formation at metal oxide/Si interface at room temperature; electron beam writing on interfaces, Scientific Reports 8:(1) p. 2124. 7 p. (2018), 2018
Bányász I, Pelli S, Nunzi-Conti G, Righini GC, Berneschi S, Szilágyi E, Németh A, Fried M, Petrik P, Agócs E, Kalas B, Zolnai Z, Khanh NQ, Rajta I, Nagy GUL, Havranek V, Vosecek V, Veres M, Himics L: Design, Ion beam fabrication and test of integrated optical elements, Proceedings of the 6th International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology. 340 p., 2018
Peter Petrik: Solar Cells with Photonic and Plasmonic Structures, Springer, 2018
P. Petrik, A. Romanenko, B. Kalas, L. Péter, T. Novotny, E. Perez-Feró, B. Fodor, E. Agocs, T. Lohner, S. Kurunczi, M. Stoica, M. Gartner, Z. Hózer: Optical Properties of Oxidized, Hydrogenated, and Native Zirconium Surfaces for Wavelengths from 0.3 to 25 um - A Study by Ex Situ and In Situ Spectroscopic Ellipsometry, Phys. Status Solidi. 216 (2019) 1800676, 2019
D. Nesheva, P. Petrik, T. Hristova-Vasileva, Z. Fogarassy, B. Kalas, M. Šćepanović, S. Kaschieva, S.N. Dmitriev, K. Antonova: Changes in composite nc-Si-SiO2 thin films caused by 20 MeV electron irradiation, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms. 458 (2019) 159–163, 2019
L. Kolaklieva, V. Chitanov, A. Szekeres, K. Antonova, P. Terziyska, Z. Fogarassy, P. Petrik, I. Mihailescu, L. Duta: Pulsed Laser Deposition of Aluminum Nitride Films: Correlation between Mechanical, Optical, and Structural Properties, Coatings. 9 (2019) 195, 2019
B. Kalas, E. Agocs, A. Romanenko, P. Petrik: In Situ Characterization of Biomaterials at Solid-Liquid Interfaces Using Ellipsometry in the UV-Visible-NIR Wavelength Range, Status Solidi Appl. Mater. Sci. 216 (2019) 1800762, 2019





 

Events of the project

 
2017-11-06 14:40:05
Résztvevők változása
2016-12-07 14:03:40
Résztvevők változása
2016-04-12 08:55:42
Résztvevők változása




Back »