28.05.2010

Metamaterial setzt sich selbst zusammen

Nanophotonische Strukturen aus sich selbst organisierenden Gold-Polymer-Clustern.

Nanophotonische Strukturen aus sich selbst organisierenden Gold-Polymer-Clustern.

Hoch symmetrisch aufgebaute Nanostrukturen sind der Schlüssel zu Metamaterialien oder photonischen Kristallen. Diese Werkzeuge der Nanophotonik werden bislang aufwändig aus größeren Rohlingen mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithographie oder eng fokussierten Ionenstrahlen heraus geschält. Einen einfachen und präziseren Weg sehen amerikanische Wissenschaftler in der kontrollierten Selbstorganisation winziger mehrschichtiger Nanopartikel zu nanophotonischen Strukturen.

Abb.: Diese Grafik zeigt sich selbst organisierende Goldkügelchen, aus denen sich gezielt nanophotonische Bauteile und später vielleicht auch Metamaterialien mit den gewünschten Eigenschaften maßschneidern lassen. (Bild: Nanfang Yu)

"Solche ummantelten Nanoteilchen sind mit die vielseitigsten aller plasmonischen Nanopartikel", sagt Naomi Halas von der Rice University in Houston. Zusammen mit Kollegen um Federico Capasso von der Harvard University in Cambridge umhüllten sie winzige Kügelchen aus Siliziumdioxid mit einem Goldmantel. Als Abstandshalter zwischen diesen etwa 40 Nanometer großen Teilchen diente ihnen eine weitere, nur etwa zwei Nanometer dicke Polymerschicht. Zuerst willkürlich in einer Flüssigkeit verteilt, ordneten sich diese "Nanoshells" beim Trocknen erst zu Zweier- und Dreiergruppen und darauf zu komplexeren, symmetrischen Strukturen zusammen.

"Die optischen Eigenschaften dieser Strukturen hängen empfindlich von ihrer Geometrie ab", erklären Capasso und Kollegen. Wichtig ist dabei, dass ihre Strukturen kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, auf welches sie wirken sollen. Von dem jeweiligen Aufbau ist es abhängig, wie sie über einen Spektralbereich von 500 bis 1600 Nanometer Wellenlänge mit elektrischen und magnetischen Feldgrößen wechselwirken. Verantwortlich für die Variation der reflektierten Lichtwellen sind Anregungen von freien Elektronen an der Partikeloberfläche zu Oberflächenschwingungen, den Plasmonen. So zeigten Paare der Nanoteilchen bereits Resonanzeffekte bei der elektrischen Feldkomponente, Dreiergruppen dazu eine magnetische Resonanz im nahen Infrarotbereich. Sogar so genannte "Fano-Resonanzen", bei denen sich zwei Schwingungsmoden überlagerten, konnten die Forscher bei einem Heptamer, einem symmetrischen Konglomerat aus sieben Nanokügelchen, beobachten.

Komplette photonische Kristalle und ganze Tarnmäntel konnten die Forscher bislang jedoch nicht mit ihrer "Bottom-Up"-Methode fertigen. Doch die effiziente Selbstorganisation hat das Potenzial, größere, hoch symmetrische Strukturen elegant und günstig herstellen zu können. Im Prinzip werden damit auch dreidimensionale Strukturen möglich, die aus allen Richtungen einfallendes Licht gleichermaßen beugen, einfangen oder gar speichern. Je nach Aufbau der Nanokügelchen und Dicke der Polymerschichten ließe sich das Material an verschiedenen Wellenlängenbereiche anpassen.

Jan Oliver Löfken


Weitere Infos

Weiterführende Literatur:

  • S. J. Oldenburg, R. D. Averitt, S. L. Westcott, N. J. Halas, Chem. Phys. Lett. 288, 243 (1998)
  • V. M. Shalaev, Nat. Photonics 1, 41 (2007)
  • M. W. Klein, C. Enkrich, M. Wegener, S. Linden, Science 313, 502 (2006)

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