Mit Nanopartikeln "malen"

Definierte Muster aus Gold-Nanopartikeln in transparenten Materialien – optoelektronische Bauteile von morgen?

Klein, aber oho: Nanopartikel sind so winzig, dass sie eine Art Zwischenstellung zwischen einzelnen Atomen und „normalen“ Feststoffpartikeln einnehmen – entsprechend interessant sind ihre optischen und elektronischen Eigenschaften. In einer japanisch-chinesischen Kooperation wurde nun eine Methode entwickelt, mit der Gold-Nanoteilchen so gezielt ausgefällt werden können, dass sich damit farbenfrohe dreidimensionale Bilder in transparenten Materialien „malen“ lassen.

Der ästhetisch-künstlerische Aspekt der neuen Technik ist aber nur ein untergeordneter. Mit Edelmetall-Nanoteilchen dotierte Materialien sind nämlich heiße Kandidaten für ultraschnelle optische Schaltelemente der Optoelektronik. Die notwendige genau definierte räumliche Verteilung der Nanopartikel innerhalb eines Materials war bisher eine schwierige Hürde. Das Team um Jianrong Qiu hat diese Hürde nun überwunden. Und so sieht die neue Technik im Einzelnen aus: Als Ausgangsmaterial dient ein mit Goldoxid (Au2O3) dotiertes Silikatglas. Wird das Glas mit einem Laser bestrahlt, entstehen winzige graue Pünktchen an den fokussierten Stellen. Die Forscher „malten“ so beispielsweise einen etwa 5 mm X 5 mm messenden Schmetterling in das Glas, dessen feine Details gestochen scharf aufgelöst sind. Wird das Glas bei 550 oC getempert, wird das graue Bild farbig: In Abhängigkeit von der Intensität des zuvor eingestrahlten Laserlichtes wird der Schmetterling violett, rot oder gelb. Erneutes Bestrahlen mit dem Laser löscht diese Farbe.

Wie das? Durch den enorm hohen Energieeintrag der kurzen Laserpulse können Elektronen an den bestrahlten Stellen des Glases genug Energie aufnehmen, um sich von ihren Atomkernen zu trennen. Goldionen sind in der Lage, solche freien Elektronen einzufangen, dabei werden sie zu Goldatomen reduziert. Beim anschließenden Erhitzen erhalten die Goldatome dann die nötige Energie, um sich aus dem Silikat-Netzwerk zu lösen und auf Wanderschaft zu gehen. Treffen sie auf andere Goldatome, aggregieren sie zu winzigen Klümpchen. Diese Goldnanopartikel erscheinen farbig, weil sie Licht im sichtbaren Spektralbereich absorbieren. Die absorbierte Wellenlänge hängt aber von der Größe der Nanopartikel ab. Und je höher die Lichtintensität des Lasers, desto mehr reduzierte Goldatome entstehen pro Volumeneinheit, die später als Kristallisationskeime dienen. Beim Erhitzen entsteht eine dementsprechend größere Zahl an Nanoteilchen, die dafür aber kleiner sind. Ein erneutes Bestrahlen mit dem Laser zerbricht die Nanopartikel wieder in winzige Bruchstücke und Atome, das bestrahlte Areal wird wieder transparent.

Die neue Technik könnte ein wichtiger Schritt in Richtung extrem schneller dreidimensionaler optischer Speicher mit ultrahoher Speicherdichte sein. In Gläsern mit hohem Gehalt an Goldionen hofft das Team außerdem, komplette dreidimensionale Nano-Schaltkreise aus Gold herstellen zu können.

Kontakt:

Prof. J. Qiu
Photon Craft Project
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics
Chinese Academy of Sciences and
Japan Science and Technology Corporation
Shanghai 201800, China
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Fax: (+86) 21-5992-9373
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