Winzige Silberwürfel als Nanoantennen

Metamaterialien aus winzigen, symmetrischen Metallstrukturen besitzen zahlreiche optische Eigenschaften. Sie bilden nicht nur die Basis für die viel diskutierten Tarnkappen, sondern können auch als selektive Absorber für einzelne Wellenlängenbereiche dienen. Gefertigt mit aufwendigen lithografischen Verfahren sind sie jedoch auf kleine Maße beschränkt. Diese Hürde haben nun Physiker von der Duke University in Durham überwunden. Mit Nanowürfeln aus Silber, die sich selbstständig auf einer dielektrischen Oberfläche verteilten, schufen sie ein einfach herstellbares Metamaterial, dass ebenfalls – abhängig vom jeweiligen Aufbau – Licht verschiedener Wellenlängen im sichtbaren und infraroten Spektrum absorbieren konnte.

David R. Smith und seine Kollegen deponierten für ihren selektiven Absorber eine isolierende Kunststoffschicht (Polystyrolsulfonat, Polyallylaminhydrochlorid) auf einem hauchdünnen Goldsubstrat. Auf diese Fläche tropften sie eine Suspension mit fein verteilten Nanowürfeln aus Silber, die zuvor in einem nasschemischen Prozess hergestellt worden waren. Diese Nanopartikel verteilten sich gleichmäßig auf der dielektrischen Fläche und beeinflussten in der Funktion von Nanoantennen das Reflexionsverhalten des Metamaterials. Verantwortlich dafür machten die Forscher das Wechselspiel zwischen der dielektrischen Funktion des Materials und der Anregung von Plasmonen durch einfallende Lichtwellen.

Mit Nanowürfeln einer einzigen Größe (Kantenlänge 74 Nanometer) stellten sie nun eine Auswahl von Absorberflächen her, bei denen sie die Dicke der Kunststoff-Trennschicht zwischen 4 und 17 Nanometer variierten. Anschließende Messungen der optischen Eigenschaften zeigten, dass sich mit abnehmender Schichtdicke das Maximum der Lichtabsorption zu höheren Wellenlängen (500 bis 800 Nanometer) verschob. Dabei sank der Anteil des reflektierten Lichts auf Werte unterhalb von sieben Prozent.

Im Unterschied zu lithografisch gefertigten Metamaterialien können diese Nanowürfel-Strukturen in einfachen nasschemischen Verfahren deponiert werden und erlauben so prinzipiell die Produktion großflächiger Absorber. Zudem lassen sich die Reflexionseigenschaften nicht nur über die Dicke der dielektrischen Trennschicht, sondern auch über die Größe der Nanowürfel selbst kontrollieren. In weiteren Versuchen ließe sich nun eine Art Rezeptbuch entwickeln, welche Materialparameter für die zu absorbierenden Wellenlängenbereiche ideal sind. Gelänge dies, stünde eine Methode zur Verfügung, relativ günstig Absorberflächen mit einstellbaren Wellenlängenbereichen je nach den Anforderungen der Anwendung zu produzieren. Einen Einsatz dieser Flächen können sich Smith und Kollegen beispielsweise für die Abschirmung von optischen Sensoren oder Wärmekameras sowie für die Optimierung der Stromausbeute von Solarzellen vorstellen.

Eine vollständige, scharfe Abtrennung einzelner Wellenlängen ist bei Reflexionsanteilen im unteren Prozentbereich jedoch nicht möglich. Effizienter zeigten sich andere Entwicklungsansätze, die aber zu Absorbern für das gesamte sichtbare Lichtspektrum führten. Das Ziel: das schwärzeste Schwarz zu erzeugen. Die Gruppe um Pulickel Ajayan von der Rice University in Texas deponierte dazu vor etwa fünf Jahren einen winzigen Wald aus Kohlenstoffnanoröhrchen auf einer Oberfläche. Dieser Nano-Teppich reflektierte gerade einmal 0,045 Prozent des einfallenden Lichts. Mit einer optimierten Anordnung der Nanoröhrchen ließ sich dieser Anteil sogar noch weiter auf 0,03 Prozent drücken.

Jan Oliver Löfken

PH