Günstige Serienfertigung von Plasmonen-Leitern
Mit einer Druckform aus Silizium lassen sich dünne, extrem glatte und nanostruktuierte Metallfolien produzieren
Mit einer Druckform aus Silizium lassen sich dünne, extrem glatte und nanostruktuierte Metallfolien produzieren
Minneapolis (USA) - Weiter als etwa fünf Mikrometer können sich bisher Oberflächen-Plasmonen auf metallischen Grenzflächen nicht ausbreiten. Schon winzige Störstellen in einem Material zerstreuen diese Wellen aus kollektiv schwingenden Elektronen. Doch amerikanischen Wissenschaftlern gelang nun die Produktion von extrem glatten Metallschichten, entlang derer sich die Plasmonen doppelt so weit bewegen konnten. Ihr elegantes Verfahren könnte zu einer günstigeren Serienfertigung von Metamaterialien, effizienzsteigernden Schichten für Solarzellen und rasant rechnenden Lichtchips führen.
Abb.: Auf einer extrem glatten Silberoberfläche erheben sich wenige hundert Nanometer breite, konzentrisch angeordnete Kreise (Bild: Science/AAAS)
"Weil Oberflächen-Plasmonen nur sehr nah an der Grenzfläche existieren, reagieren sie extrem empfindlich auf Inhomogenitäten an der Oberfläche", schreiben David Norris und seine Kollegen von der University of Minnesota in Minneapolis. Nur möglichst glatte Metallschichten sind daher als effiziente Plasmonen-Leiter geeignet. Genau dieses Ziel erreichten die Forscher mit einer Art Druckverfahren. Als Druckform verwendeten sie ein Substrat aus Silizium. Mit beschleunigten Ionen und chemischen Ätzverfahren schufen sie in dem Halbleiter winzige Nanostrukturen in Form von konzentrischen Kreisen, Pyramiden oder geraden Wällen. Darauf dampften sie wenige hundert Nanometer dünne Metallschichten aus Gold, Silber oder Kupfer. Auf diese hauchdünnen Filme deponierten sie eine Lage aus Epoxidharz. Dieser haftete so gut, dass sich die Metallfolien zerstörungsfrei mitsamt den filigranen Nanostrukturen von der Silizium-Druckform abziehen ließen.
Um die Qualität dieser Metallfolien zu testen, regten die Wissenschaftler Oberflächen-Schwingungen an der Grenzschicht an. Diese Plasmonen breiteten sich wegen der Glätte der Metallschicht nahezu ungestört aus. An einem 200 Nanometer dicken Teststreifen aus Silber bestimmten sie die Intensität der Plasmonen als diese auf einen eingeprägten Schlitz in der Metallfolie trafen. Die kollektiven Elektronenschwingungen zeigten sich so intensiv, dass sie extrapoliert eine Strecke von etwa zehn Mikrometer zurücklegen könnten - etwa doppelt so weit wie bei Plasmonen-Leitern, die direkt mit Ionenstrahlen oder lithografischen Verfahren strukturiert wurden.
"Obwohl schon viele nützliche Effekte mit Plasmonen gezeigt werden konnten, stellt die günstige Serienproduktion von geeigneten Substraten ein Problem dar", sagt David Norris. Doch ihre aktuellen Ergebnisse belegen, dass dieses Problem mit den aufgedampften und anschließend abgetrennten Metallfolien überwunden werden konnte. Die Druckform aus Silizium ließ sich bisher etwa 30 Mal wieder verwenden bevor sich die Qualität der identischen, nanostrukturierten Metallfolien verringerte.
Wegen der langen Lebensdauer der Plasmonen eignen sich dieses Verfahren für eine günstige Serienproduktion von nanostrukturierten Plasmonen-Leitern. Zahlreiche Experimente konnten bereits belegen, dass durch die empfindliche Wechselwirkung von einfallenden Lichtstrahlen und Plasmonen die Stromausbeute von Solarzellen erhöhen, photonische Schaltprozesse in zukünftigen Lichtchips kontrollieren und Metamaterialien für dünne Superlinsen und optische Tarnkappen realisieren lassen.
Jan Oliver Löfken
Weitere Infos:
- Originalveröffentlichung:
P. Nagpal et al.: Ultrasmooth Patterned Metals for Plasmonics and Metamaterials. Science 325, 594 (2009)
http://dx.doi.org/10.1126/science.1174655 - University of Minnesota in Minneapolis:
http://www.umn.edu/ - Arbeitsgruppe Norris:
http://www.cems.umn.edu/research/norris/
Weiterführende Literatur:
- H. Raether: Surface Plasmons, Springer, Berlin, 1988
- C. Genet, T. W. Ebbesen: Light in tiny holes. Nature 445, 39 (2007)
http://dx.doi.org/10.1038/nature05350 - E. Ozbay, Plasmonics: Merging Photonics and Electronics at Nanoscale Dimensions. Science 311, 189 (2006)
http://dx.doi.org/10.1126/science.1114849
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