Ultratynde supergitter fra guld nanopartikler til nanofotonik

Forskere ledet af prof. Dr. Matthias Karg ved Institut for Fysisk Kemi rapporterer om en simpel teknik til udvikling af højt ordnede partikellag. Gruppen arbejdede med bittesmå, deformerbare sfæriske polymerperler med en hydrogel-lignende struktur. Hydrogeler er vandhævede, tredimensionelle netværk. Sådanne strukturer bruges som superabsorbere i produkter som babybleer på grund af deres evne til at opsuge store mængder væske.

Inden i disse hydrogelperler er der små guld- eller sølvpartikler på kun få nanometer store, som Kargs team syntetiserer på HHU ved hjælp af metalsalte i en reduktionsproces. "Vi kan justere størrelsen på guldpartiklerne meget præcist, fordi hydrogelskallerne er permeable for opløste metalsalte, giver mulighed for successiv overvækst af guldkernerne." Strukturen af ​​disse kerne-skal partikler kan groft sammenlignes med strukturen af ​​et kirsebær, hvor en hård kerne er omgivet af blød pulp.

De Düsseldorf-baserede forskere brugte en fortyndet opløsning af disse hydrogelperler til at fremstille tynde monolag. De påførte perlerne på en vandoverflade, hvor en glitrende, højt bestilt lag selvsamlet. Forskerne overførte dette lag fra vandoverfladen til glassubstrater; denne overførsel får glasunderlaget til at skinne.

Når man ser på sådan et lag med et elektronmikroskop, afsløres en regelmæssig, hexagonalt ordnet partikelarray. "Dette er guldpartiklerne i deres skaller, " forklarer ph.d.-studerende Kirsten Volk, "og vi ser, at de er arrangeret i en enkelt, højt ordnet lag." Guldpartiklerne bestemmer farven på laget ved at reflektere synligt lys med bestemte bølgelængder, som forstyrrer og dermed skaber indtryk af en skiftende farve, når den ses fra forskellige vinkler.

"Disse tynde lag er meget interessante for optoelektronik - dvs. overførsel og behandling af data ved hjælp af lys. Det kan også være muligt at bruge dem til at bygge miniaturiserede lasere, " siger prof. Karg. Disse nanolasere er kun nanometer store, udgør således en nøgleteknologi inden for nanofotonik.

I deres undersøgelse offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader , de Düsseldorf-baserede forskere har overvundet en stor hindring på vejen til sådanne nanolasere. De skabte kollektive resonanser i guldpartiklerne ved indfaldende lys. Det betyder, at guldpartiklerne ikke exciteres individuelt; i stedet, alle exciterede partikler er i resonans. Denne kollektive resonans er den grundlæggende forudsætning for at bygge lasere. Partikellagene er også meget tynde.

Til optoelektroniske applikationer og nanolasere, resonanstilstandene skal forstærkes yderligere i de tynde lag. Prof. Karg siger, "Næste, vi vil forsøge at forstærke resonansen yderligere ved hjælp af doping med emittere. På lang sigt, dette kunne også give os mulighed for at realisere elektrisk drevne nanolasere."