Forskere optimerer 3D-print af optisk aktive nanostrukturer

I omkring 20 år har det været muligt at modificere overflader via nanopartikler, så de koncentrerer eller manipulerer lyset på en ønsket måde eller udløser andre reaktioner. Sådanne optisk aktive nanostrukturer kan f.eks. findes i solceller og biologiske eller kemiske sensorer.

For at udvide rækken af ​​applikationer for disse nanostrukturer har forskere ved Institut for Elektronmikroskopi og Nanoanalyse (Graz University of Technology) og Graz Center of Electron Microscopy (ZFE) arbejdet i mere end et årti på at fremstille ikke kun flade nanostrukturer, men især komplekse, fritstående 3D-arkitekturer.

Holdet ledet af Harald Plank, Verena Reisecker og David Kuhness har opnået to gennembrud. Det er nu muligt præcist at simulere de nødvendige former og størrelser af nanostrukturer på forhånd for at opnå ønskede optiske egenskaber, som derefter kan produceres nøjagtigt. Holdet har også formået fuldstændigt at fjerne kemiske urenheder, der er inkorporeret under den indledende produktion uden at påvirke 3D-nanoarkitekturerne negativt.

Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Advanced Functional Materials .

Prøv-og-fejl-proceduren bliver unødvendig

Indtil nu har 3D nanostrukturer krævet en tidskrævende trial-and-error-proces, indtil produktet afslørede de ønskede optiske egenskaber. Denne vanskelighed er endelig blevet elimineret. "Konsistensen mellem simuleringer og reelle plasmoniske resonanser af en bred vifte af nanoarkitekturer er meget høj," forklarer Plank. "Dette er et stort skridt fremad. Det hårde arbejde i de sidste par år har endelig givet pote."

Teknologien er i øjeblikket den eneste i verden, der kan bruges til at producere komplekse 3-dimensionelle strukturer med individuelle funktioner mindre end 10 nanometer i en kontrolleret, enkelt-trins procedure på næsten enhver overflade. Til sammenligning er de mindste vira omkring 20 nanometer store.

"Den største udfordring i de senere år var at overføre 3D-arkitekturerne til materialer med høj renhed uden at ødelægge morfologien," forklarer Plank. "Dette udviklingsspring muliggør nye optiske effekter og anvendelseskoncepter takket være 3D-aspektet." Nanosonder eller optisk pincet med størrelser i nanometerområdet er nu inden for rækkevidde.

Nøjagtigt styret elektronstråle

Forskerne bruger fokuseret elektronstråle-induceret aflejring til at producere nanostrukturerne. Den relevante overflade udsættes for specielle gasser under vakuumforhold. En fint fokuseret elektronstråle spalter gasmolekylerne, hvorefter dele af dem ændres til en fast tilstand og klæber til den ønskede placering.

"Ved præcis at kontrollere strålebevægelser og eksponeringstider er vi i stand til at producere komplekse nanostrukturer med gitter- eller arklignende byggeklodser i et enkelt trin," forklarer Plank. Ved at stable disse nano-volumener oven på hinanden kan tredimensionelle strukturer i sidste ende konstrueres.

Flere oplysninger: Verena Reisecker et al., Spectral Tuning of Plasmonic Activity in 3D Nanostructures via High-Precision Nano-Printing, Avancerede funktionelle materialer (2023). DOI:10.1002/adfm.202310110

Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer

Leveret af Graz University of Technology