Ringelreihen der Nanopartikel

Nanopartikel zeichnen sich durch Ihre außergewöhnlichen, quantenmechanisch geprägten optischen und elektronischen Eigenschaften aus. Mit Cadmiumsulfid-Nanopartikeln gelang es jüngst einer japanisch-britischen Forschergruppe ringförmige Strukturen auf Silizium-Substrat mittels eines selbst-organisierenden Prozesses herzustellen \[1\]. Die Photolumineszenz dieser Nanoringe könnte sie in Zukunft zu einem Grundbaustein für optoelektronische Anwendungen werden lassen.

Cadmiumsulfid (CdS) ist ein Halbleiter und zeigt bei Reduzierung seiner geometrischen Abmessungen auf Nanometer große Strukturen ausgeprägte Veränderungen seiner optischen und elektronischen Eigenschaften. So beobachtet man bei einer Suspension von CdS-Nanopartikeln bereits mit dem Auge sichtbare Photolumineszenz: Die Teilchen senden sichtbares Licht aus, wenn man sie mit UV-Laserlicht anregt. Kuniyil Prabhakaran und Kollegen ließen solche CdS-Nanopartikel in einer Gasphasenreaktion zu Clustern mit Abmessungen von etwa 10 nm wachsen. Diese Partikel sind groß genug, um im Inneren eine kristallographisch geordnete Struktur zu besitzen, und klein genug, um die Effekte des so genannten Quantum Confinement zu zeigen. Hierbei sorgt die räumliche Einschränkung der Ladungsträger für eine Veränderung der Energieniveaus, die man für eine starke Emission und die gezielte Beeinflussung der Emissionswellenlänge nutzen kann.

Um die Nanoring-Strukturen auf Silizium-Substrate zu bilden, gingen die Forscher von einer Suspension solcher CdS-Nanopartikel aus. Das mit einer dünnen Oxidschicht überzogene Substrat wird in eine Ethanol-Suspension der Nanopartikel getaucht und unter Ultraschall kontrolliert herausgezogen, so dass ein dünner Film haften bleibt. Beim Ausheizen über 800 °C im Ultrahochvakuum desorbiert ein Teil der Nanopartikel, und die Oxidschicht zersetzt sich. Dieser Prozess ähnelt dem Trocknen einer von Flüssigkeit benetzten Oberfläche. Oberflächenspannung, Viskosität, Wechselwirkung von Nanopartikeln untereinander und mit dem Substrat sorgen dafür, dass die Substratoberfläche musterartig entnetzt wird und sich die Nanopartikel letztlich auf ringförmig angeordneten Positionen platzieren. Die Prozessparameter entscheiden darüber, ob sich scheibenförmige Ansammlungen, einzelne Nanoringe oder konzentrische Ringe bilden. Auf rein passive Weise konnten die Wissenschaftler damit über das gesamte Substrat Größe und Gestalt der Ringe kontrollieren.

Die Oberflächentopologie der Nanoringe ließ sich mittels Rasterkraftmikroskopie darstellen. Die Photolumineszenz nachzuweisen gelang den Forschern nicht nur auf integrale Weise bei Bestrahlung der gesamten Substratoberfläche, sondern auch lokal. Da die Ortsauflösung üblicher Nahfeldmikroskopie nicht ausreichte, setzte man hierfür die so genannte Tunnelelektronen-Lumineszenz erfolgreich ein. Bei dieser Methode tastet eine mit elektrisch leitfähigem Material beschichtete Glasfaserspitze die Oberfläche ab. Diese transparente Elektrode dient sowohl zur lokalen elektrischen Anregung, als auch zum Nachweis der resultierenden Lichtemission einzelner Nanopartikel. Damit konnten die Forscher die Eins-zu-Eins-Zuordnung von Positionen der CdS-Nanopartikel und dem Entstehungsort der Lichtemission nachweisen.

Der neu entdeckte Strukturierungsprozess verspricht eine effiziente Herstellungsweise von Nanoringen und ist prinzipiell in die etablierte Siliziumtechnologie integrierbar. Deshalb hofft man, dass sich die Nanoringe zum Bau von optisch aktiven Bauelementen eignen, die wohl jedoch auf elektrische Weise anzuregen wären. Generell bietet die ringförmige Struktur nämlich die Möglichkeit zur Ausbildung von Resonanzen beim kreisförmigen Umlauf von Licht und damit zur Realisierung einer neuen Klasse von optischen Nanokavitäten \[2\].

\[1\] K. Prabhakaran et al., Adv. Mater 2003, 15 (18), 1522.
\[2\] V. Drach, Physik in unserer Zeit 1998, 29 (5), 221.

Volker Drach, Würzburg

Quelle: Physik in unserer Zeit

Weitere Infos:

• Zeitschrift “Physik in unserer Zeit”:
  http://www.phiuz.de