Makellose Nanokugeln durch Laserpulse
Erstmals ist es gelungen, perfekt runde Silizium-Nanopartikel herzustellen und anzuordnen.
Die Gruppe Nanophotonics des Laser Zentrum Hannover e.V (LZH) hat eine Methode etabliert, mit ultrakurzen Laserpulsen Nanopartikel mit vorgegebenen, reproduzierbaren Größen aus verschiedenen Materialien zu drucken und präzise auf einem Trägermaterial zu platzieren. Im Zuge dessen ist es den Wissenschaftlern erstmals gelungen, perfekt runde Silizium-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 165 Nanometern herzustellen und anzuordnen. Bei der neuartigen Methode drucken ultrakurze Laserpulse Nanopartikel im zwei- und dreistelligen Nanometer-Bereich aus verschiedenen Materialien wie Metallen, Halbleitern und Dielektrika. Diese lassen sich anschließend präzise auf einem Empfängersubstrat positionieren.
Abb.: Laser-gedruckte Silizium-Nanopartikel in amorpher Phase, rot, und kristalliner Phase, gelb. (Bild: LZH)
Nanopartikel haben die einzigartige optische Eigenschaft, nur Licht bestimmter Wellenlängen zu streuen. Mit weißem Licht angestrahlt, erscheinen sie je nach Größe, Form und Wechselwirkung mit ihrer Umgebung in einer bestimmten Farbe. Daher sind sie für verschiedene Anwendungen in Medizin und Sensorik interessant.
Ausgangspunkt für den Herstellungsprozess ist eine dünne Schicht des Materials, aus dem die Nanopartikel entstehen sollen. Diese wird mit einem einzelnen ultrakurzen Laserpuls bestrahlt und aufgeschmolzen. Durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Materials bildet sich eine Nanokugel aus, die sich nach oben weg bewegt und die dann ein Empfängersubstrat auffängt. Dabei lässt sich die Position der Teilchen auf dem Empfängermaterial mit sehr hoher Genauigkeit einstellen.
Abb.: Aufgeschmolzenes Silizium bildet Nanopartikel aus, die durch die Oberflächenspannung auf ein Empfängersubstrat fliegen. (Bild: LZH)
„Die neue Methode ist chemischen Verfahren weit überlegen, bei denen zwar große Mengen Nanopartikel produziert, diese aber nicht an der gewünschten Position platziert werden können", erläutert Boris Chichkov, Leiter der Abteilung Nanotechnologie am LZH. Mit der Methode können die Forscher zwei- oder dreidimensionale geordnete Partikelstrukturen, wie Nanoantennen, Nanolaser und Metamaterialien, erzeugen.
Die Herstellung von Silizium-Nanopartikeln mit bestimmter Größe ist interessant, da diese besondere optische Eigenschaften haben: Sie streuen vor allem sichtbares Licht stark und wechselwirken dabei neben dem elektrischen Feld des Lichts auch mit dem magnetischen. Die gefertigten Siliziumpartikel liegen nach dem Druckprozess in amorpher Phase vor, ein zweiter Laserpuls kann sie in die kristalline Phase umwandeln. „Die Ergebnisse haben bereits zur Entstehung der neuen Forschungsrichtung Siliziumnanophotonik geführt“, so Chichkov. „Die neue Methode wird daher sicherlich viele Anwendungen finden.“
LZH / PH
