Strukturelle Ordnung in plasmonischen Supergittern

30. Juli 2020, von Maria Latos

Foto: UHH/MIN/Schulz

Ein Forschungsteam mit Beteiligung der Universität Hamburg hat einen neuartigen Weg gefunden, Goldnanopartikel zu geordneten Gittern anzuordnen. Die kristallinen Schichten besitzen ein breites Anwendungsspektrum und das neue Verfahren könnte zukünftig bei der Herstellung winziger Bauelemente in der Nanoelektronik und für maßgeschneiderte Licht-Materie-Wechselwirkungen zum Einsatz kommen.

Nanopartikel aus Edelmetallen wie Gold oder Silber haben eine Größe zwischen zehn und 100 Nanometer und sind unter anderem für die leuchtenden Farben mittelalterlicher Kirchenfenster verantwortlich. Die freien Elektronen in diesen Metallpartikeln werden durch Licht zu einer Schwingung angeregt, was auch als Plasmon bezeichnet wird. Die Wechselwirkungen der Plasmonen in geordneten Übergittern der Metallpartikel hängen stark von der Geometrie ab, weshalb Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf der Suche nach bestimmten Regeln zum Erhalt solcher Gitter sind. Die Übergitter von Nanopartikeln haben ein enormes Potenzial für neue Materialien mit einstellbaren elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften. Die Fähigkeit, sowohl die Struktur der Nanopartikelbausteine als auch die Geometrie des Aufbaus zu kontrollieren, könnte zu Designermaterialien mit zuvor definierten Eigenschaften führen.

„Jetzt haben wir es geschafft, große Bereiche von kristallinen Mono-, Bi- und Multischichten aus Goldnanopartikeln mit einer geringen Anzahl von Defekten zu erstellen“, sagt Dr. Florian Schulz, Postdoktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Holger Lange am Fachbereich Chemie und des Exzellenzclusters CUI: Advanced Imaging of Matter. „Die erreichte Qualität wird für ein breites Anwendungsspektrum von Nutzen sein, das von grundlegenden Untersuchungen der Licht-Materie-Wechselwirkung bis hin zu optischen Metamaterialien und Substraten für oberflächenverstärkte Spektroskopien reicht.“

Dazu haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Hamburg zusammen mit Kolleginnen und Kollegen des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY), der Freien Universität Berlin und der Charles University in Prag große Au-Nanopartikel-Superkristalle mit hexagonaler Ordnung von 2D bis 3D synthetisiert. Durch Variation des Partikeldurchmessers, der Konzentration sowie der Ligandenlänge und der Verdampfungszeit wurden große Überkristalle mit unterschiedlicher Anzahl von Schichten und Abständen zwischen den Partikeln synthetisiert.

„Unser Protokoll erweitert das verfügbare Spektrum an präzisen Geometrien“, sagt Prof. Lange. „Es zeigt, dass durch einfache Protokolle hergestellte selbstorganisierte Strukturen mit lithografischer Präzision und Kontrolle konkurrieren können und wahrscheinlich in naher Zukunft auch ausreichend große Flächen für verschiedene Bauelemente und Anwendungen zur Verfügung stellen können.“

Weitere Informationen zur Verwendung der hier dargestellten Nanocluster in der Licht-Materie Kopplung finden Sie auf der Webseite des Exzellenzclusters CUI: Advanced Imaging of Matter.