Nanopartikel ordnen sich selbstständig zu optisch nutzbaren Strukturen zusammen

Goldkügelchen für die Nanophotonik

Cambridge (USA) - Computerchips, Materialien für Tarnkappen und photonische Kristalle haben eines gemeinsam: Sie werden mit lithografischen Methoden aus großen Rohlingen geätzt und gefräst. Den umgekehrten Weg gingen nun amerikanische Forscher. Sie entwickelten winzige Nanokügelchen, die sich selbstständig zu filigranen und symmetrischen Strukturen mit speziellen optischen Eigenschaften zusammen lagerten. Ihre Ergebnisse, die sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Science" präsentieren, könnte zu einem eleganten und günstigen Fertigungsverfahren für nanophotonische Bauteile und so genannte Metamaterialien führen.

"Die optischen Eigenschaften dieser Strukturen hängen empfindlich von ihrer Geometrie ab", erläutern Federico Capasso von der Harvard University in Cambridge und seine Kollegen der Universitäten in Austin und Houston. Um diese Eigenschaften zu überprüfen, umhüllten sie zuerst Nanokügelchen aus Siliziumoxid mit einem dünnen Goldmantel. Auf die Goldschicht der etwa 40 Nanometer kleinen Partikel folgte eine nur zwei Nanometer dünne Kunststofflage. Verteilten sich diese Nanoteilchen zuerst in einer Flüssigkeit, lagerten sie sich beim Trocknen zu Zweier- und Dreiergruppen und zu größeren symmetrischen Strukturen zusammen.

Obwohl Lichtwellen aus dem sichtbaren und infraroten Bereich des Spektrums viel größer sind als die Goldkügelchen selbst, wurden sie von den Konglomeraten stark beeinflusst. Sowohl für die elektrische als auch für die magnetische Feldkomponente der Lichtwellen beobachteten die Forscher starke Resonanzen. Die Ursache fanden sie in freien Elektronen, die durch die Lichtteilchen zu Oberflächenschwingungen, so genannten Plasmonen, angeregt wurden.

Mit diesen Eigenschaften könnten die Haufen aus Nanoteilchen Lichtwellen genauso lenken und verändern wie es Forscher bisher in aufwändig gefertigten photonischen Kristalle oder Metamaterialien in Tarnkappen beobachten konnten. Zudem ließen sich die optischen Eigenschaften über die Größe der Nanokügelchen und der Abstände zueinander variieren. Sie hoffen daher, mit der Selbstorganisation eine elegante Methode gefunden zu haben, in Zukunft sogar dreidimensionale und damit in alle Richtungen wirkende nanophotonische Strukturen günstig fertigen zu können.