20 Feb 3-D-Druck optisch aktiver Nanostrukturen verbessert
Form, Größe und optische Eigenschaften dreidimensionaler Nanostrukturen lassen sich vorab simulieren, bevor diese hochpräzise auf verschiedenen Oberflächen erzeugt werden. Messsonden oder optische Pinzetten auf der Nanometerskala rücken dadurch in greifbare Nähe.
Seit etwa 20 Jahren ist es möglich, Oberflächen so mit Nanopartikeln zu versehen, dass sie auf eine gewünschte Weise Licht konzentrieren, manipulieren oder eine Reaktion auslösen. Zu finden sind solche optisch aktiven Nanostrukturen etwa in Solarzellen und biologischen oder chemischen Sensoren. Um deren Einsatzbereich zu erweitern, arbeiten Forschende am Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz sowie am Zentrum für Elektronenmikroskopie (ZFE) seit über zehn Jahren daran, nicht nur flache Nanostrukturen, sondern auch komplexe, freistehende 3-D-Architekturen herzustellen. Dem Team um Harald Plank, Verena Reisecker und David Kuhness sind nun zwei Durchbrüche gelungen. So können sie die gewünschten optischen Eigenschaften sowie die dazu nötige Form und Größe der Nanostrukturen vorab exakt simulieren und diese auf Basis der Simulation präzise herstellen. Außerdem sind sie in der Lage, chemische Verunreinigungen zu beseitigen, die bei der Herstellung entstehen, ohne dabei die 3-D-Nanoarchitekturen zu beeinträchtigen.
Harald Plank vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz forscht seit zehn Jahren daran, wie sich komplexe, freistehende 3-D-Architekturen im Nanometerbereich herstellen lassen. Bild: Lunghammer/TU Graz
Trial-and-Error-Verfahren wird überflüssig
Bislang war bei dreidimensionalen Nanostrukturen ein langwieriges Trial-and-Error-Verfahren nötig, bis das Produkt die gewünschten optischen Eigenschaften hatte. Dieser Aufwand fällt nun weg. „Die Übereinstimmung unserer Simulationen mit den realen plasmonischen Resonanzen unterschiedlichster Nanoarchitekturen ist sehr hoch“, sagt Harald Plank. „Das bedeutet einen Riesenschritt nach vorn. Die harte Arbeit der letzten Jahre hat sich bezahlt gemacht.“ Die Technologie ist nach Ansicht der Forschenden gegenwärtig die weltweit einzige, durch die komplexe dreidimensionale Strukturen mit Formelementen <10 nm direkt und kontrolliert auf nahezu jeder Oberfläche hergestellt werden können.
Zum Vergleich: Die kleinsten Viren sind 20 nm groß. „Die größte Herausforderung der letzten Jahre war die Überführung der 3-D-Architekturen in hochreine Materialien, ohne die Morphologie zu zerstören“, erklärt Harald Plank. „Dieser Entwicklungssprung ermöglicht durch den 3-D-Aspekt neue optische Effekte und Anwendungskonzepte.“ Sonden oder optische Pinzetten mit Größen im Nanometerbereich rücken dadurch in greifbare Nähe.
Präzise gesteuerter Elektronenstrahl
Zur Herstellung der Nanostrukturen nutzen die Forschenden die fokussierte Elektronenstrahlabscheidung (Focused Electron-Beam-Induced Deposition). Dabei wird die relevante Oberfläche unter Vakuumbedingungen mit speziellen Gasen belegt. Ein fein fokussierter Elektronenstrahl spaltet die Gasmoleküle, woraufhin Teile dieser in einen festen Zustand übergehen und an gewünschter Stelle haften bleiben. „Durch präzise Steuerung von Strahlverschiebung und Belichtungszeit gelingt es uns in einem einzigen Schritt, komplexe Nanostrukturen mit gitter- oder flächenartigen Strukturelementen herzustellen“, erläutert Harald Plank. Durch Aufeinanderschichten dieser Nanovolumen lassen sich daraus schließlich dreidimensionale Strukturen konstruieren.
Quelle: www.tugraz.at
Bild: CDL Define/TU Graz
