22.12.2010

Nano-Antennen in hoher Präzision

Mit einer neuen, präziseren Methode können optische Antennen aus Gold hergestellt werden.

Mit einer neuen, präziseren Methode können optische Antennen aus Gold hergestellt werden.

Nano-Antennen können – vergleichbar mit einem Brennglas, aber wesentlich effizienter – Licht sammeln und es auf extrem kleine Räume konzentrieren. Dadurch lässt sich die Energie, die im Licht steckt, effizienter nutzen. Anwendungsmöglichkeiten für derartige optische Antennen gibt es viele. Sie reichen von der Photovoltaik bis hin zu integrierten Schaltkreisen, die mit Licht statt mit Elektronen arbeiten. Die Herstellung optischer Nano-Antennen allerdings ist knifflig. „Sie müssen um die 300 Nanometer lang sein und einen Spalt haben, der schmaler als zehn Nanometer ist – darin sammeln sie das Licht“, erklärt Bert Hecht vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg. Sein Team hat nun zusammen mit Forschern aus Dübendorf (Schweiz) und Mailand (Italien) eine Methode gefunden, mit der sich Nano-Antennen aus Gold mit der erforderlichen Präzision ohne Fehler herstellen lassen.

Abb.: Künstlerische Darstellung eines einkristallinen Goldplättchens, aus dem mit einem fein gebündelten Ionenstrahl verschiedene Nanostrukturen herausmodelliert wurden. Optische Nano-Antennen sind als paarweise angeordnete Quader zu erkennen. Eine der Antennen wird im Vordergrund mit weißem Licht angeregt und leuchtet in der Farbe ihrer Resonanzwellenlänge auf. Deutlich grobkörniger ist links die aufgedampfte Goldschicht. (Bild: Thorsten Feichtner)

Nano-Antennen für Licht wurden bisher so erzeugt: Auf ein Trägermaterial wurden mehrere Metallschichten aufgedampft. Aus diesem „Rohling“ ließen sich dann die gewünschten Formen herausarbeiten, ähnlich wie in der Bildhauerei. Der Nachteil dabei ist, dass die Ausgangsschichten aus vielen einzelnen kleinen Kristallen bestehen, was ihnen eine körnige Struktur gibt. Versucht man nun, mit einem fein gebündelten Ionenstrahl aus einer derart „groben“ Schicht glatte Strukturen mit Details im Nanometerbereich herauszuschneiden, ergibt das sehr unregelmäßige Formen, die nicht die gewünschte Funktion haben. Die Physiker um Hecht gingen darum einen anderen Weg. Über die Methode der chemischen Selbstorganisation gewannen sie Goldplättchen, die aus nur einem einzigen Goldkristall bestehen, also in sich keine Körnung aufweisen. Aus diesen Plättchen konnten die Forscher per Ionenstrahl Nanostrukturen modellieren, die durch ihre Präzision beeindrucken: Die Schnittränder sind flach wie eine einzige Schicht aus Goldatomen.

Lichtantennen, die auf diese Weise hergestellt werden, konzentrieren das Licht in ihrem Spalt zehn Mal besser als herkömmliche Antennen. Mit der neuen Methode steht den Forschern jetzt der Weg offen, um großflächige, komplexere Strukturen verlässlich und ohne Fehler zu erzeugen. „Damit sind mögliche Anwendungen wie die Erzeugung künstlicher Lichtsammelkomplexe für die Photovoltaik oder die Entwicklung integrierter optischer Schaltkreise ein gutes Stück realistischer geworden“, sagt Hecht.

Julius-Maximilians-Universität Würzburg / AL


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