17.05.2019

Supergitter für plasmonische Nanolaser

Ultradünne Schichten aus Hydrogelkugeln mit eingelagerten Gold- oder Silberpartikeln.

Die Arbeits­gruppe „Kolloide und Nanooptik“ um Matthias Karg am Institut für Physikalische Chemie hat eine einfache und zugleich präzise Technik entwickelt, um hochgeordnete Teilchen­schichten herzustellen. Sie nutzten winzig kleine, weiche und deformier­bare Polymerkugeln mit einer hydrogel­artigen Struktur. Diese Strukturen sind für Anwendungen in der Optoelektronik und Nano­photonik interessant und könnten auch die Entwicklung plas­monischer Nanolaser vorantreiben.

Abb.: Auf einen Glasträger übertragene ultradünne Schicht aus...
Abb.: Auf einen Glasträger übertragene ultradünne Schicht aus Hydrogel­kügelchen mit Gold­partikeln. (Bild: C. Kawan, HHU)

Innerhalb der Hydrogel­kügelchen befinden sich winzige, nur wenige Nanometer große Gold- oder Silberpartikel, die Kargs Team aus Salzen der Metalle in einem Reduktions­verfahren herstellt. „Wir können die Größe der Goldpartikel sehr genau einstellen, denn die Hydrogel­hüllen sind für gelöste Metallsalze durchlässig, wodurch ein nachträgliches Überwachsen der Goldkerne möglich wird.“ Den Aufbau dieser Kern-Schale Partikel kann man mit einer Kirsche vergleichen. Hier ist ein harter Kern vom weichen Frucht­fleisch umgeben. Die Partikel aus dem Labor sind allerdings etwa einhundert­tausendmal kleiner. Aus einer verdünnten Lösung dieser Hydrogel­kügelchen können die Düsseldorfer dann dünne Schichten herstellen. Sie geben die Kügelchen auf eine Wasser­oberfläche, an der sich von alleine eine hochgeordnete und bunt schillernde Schicht ausbildet. Diese Schicht heben sie mithilfe von Glasträgern von der Wasser­oberfläche ab.

Schaut man sich diese Schicht unter dem Elektronen­mikroskop an, sieht man ein regelmäßiges Sechseck­muster kleiner Punkte. „Dies sind die Goldpartikel in ihren Hüllen“, erläutert Doktorandin Kirsten Volk, „und wir sehen, dass diese in einer einzigen, hoch­geordneten Schicht liegen.“ Die Goldpartikel sorgen für die Farbigkeit der Schicht: An ihnen wird sichtbares Licht bestimmter Wellen­längen reflektiert, welches interferiert und so unter verschiedenen Blickwinkeln einen unter­schiedlichen Farbeindruck gibt. „Diese dünnen Schichten sind für die Opto­elektronik – also die Datenleitung und -verarbeitung mit Hilfe von Licht – sehr spannend. Mit ihnen kann es außerdem möglich werden, miniaturisierte Laser zu bauen“, so Karg. Solche Nanolaser sind nur Nanometer groß und stellen damit eine Schlüssel­technologie im Bereich der Nanophotonik dar.

Mit diesem Material haben die Forscher eine wichtige Hürde auf dem Weg zu solchen Nanolasern genommen. Sie konnten die Goldpartikel durch von außen einge­strahltes Licht zu kollektiven Schwingungen anregen. Es wird also nicht jedes Goldteilchen individuell angeregt, sondern alle Teilchen schwingen gemeinsam. Diese gemeinsame Schwingung ist die Grund­voraussetzung für den Aufbau von Lasern. 

HHU / JOL

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