Wissenschaftler am Laser Zentrum Hannover, kurz LZH, konnten erstmals perfekt runde Silicium-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 165 nm in geordneten Feldern herstellen. Dies gelang mit einer von ihnen entwickelten Methode, die im Fachmagazin «Nature Communications» in der Ausgabe vom 4. März publiziert wurde. Diese neuartige Methode nutzt ultrakurze Laserpulse, um Nanopartikel im zwei- und dreistelligen Nanometerbereich aus verschiedenen Materialien wie Metallen, Halbleitern und Dielektrika zu drucken. Diese lassen sich anschlies- send präzise auf einem Empfängersubstrat positionieren.
Nanopartikel haben die optische Eigenschaft, nur Licht bestimmter Wellenlängen zu streuen. Mit weissem Licht angestrahlt, erscheinen sie je nach Grösse, Form und Wechselwirkung mit ihrer Umgebung in einer bestimmten Farbe. Daher eignen sie sich besonders für verschiedene Anwendungen in Medizin und Sensorik.
Partikelbildung durch die Oberflächenspannung des Materials
Ausgangspunkt für den Herstellungsprozess ist eine dünne Schicht des Materials, aus dem man die Nanopartikel fertigen will. Diese bestrahlt man mit einem einzelnen ultrakurzen Laserpuls und schmelzt sie so auf. Durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Materials bildet sich eine Nanokugel, die sich nach oben wegbewegt. Ein Empfängersubstrat fängt sie dann auf. Dabei lässt sich die Position der Teilchen auf dem Empfängermaterial mit sehr hoher Genauigkeit einstellen.
Die neue Methode ist laut den LZH-Wissenschaftlern die erste, mit der sich Nano-partikel in bestimmter Grösse herstellen und gleichzeitig präzise positionieren lassen. Sie sei in dieser Hinsicht chemischen Ver-fahren weit überlegen, bei denen zwar grosse Mengen Nanopartikel produziert, diese aber nicht an der gewünschten Position platziert werden können. Mit der Methode lassen sich zwei- oder dreidimensionale geordnete Partikelstrukturen, wie Nanoantennen, Nanolaser und Metamaterialien, herstellen.
Von amorph zu kristallin mit einem zweiten Puls
Die Herstellung von Silicium-Nanopartikeln mit bestimmter Grösse ist besonders inte-ressant, da diese besondere optische Eigenschaften haben: Sie streuen vor allem das sichtbare Licht stark und reagieren dabei sowohl auf das elektrische Feld des Lichts als auch auf das magnetische. Hingegen wechselwirkt bekannte Materie fast ausschliesslich mit dem elektrischen Feld. Dabei wird übereinstimmend mit der Mie-Theorie auch das magnetische Licht gestreut. Die gefertigten Silicium-Partikel liegen nach dem Druckprozess in amorpher Phase vor und lassen sich mit einem zweiten Laserpuls in die kristalline Phase transformieren.
Die Ergebnisse hätten bereits zur Entstehung der neuen Forschungsrichtung Silicium-Nanophotonik mit weltweitem Interesse geführt, so die Wissenschaftler. Die Methode werde daher sicherlich viele neue Anwendungen finden. Die Untersuchungen fanden statt im Rahmen der wissenschaftlichen Schwerpunktprogramme SPP 1391 «Ultrafast Nanooptics» und dem Transregioprojekt TRR 123 «PlanOS».
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