Ultradünne Supergitter als Goldnanopartikeln für die Nanophotonik

In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Matthias Karg am Institut für Physikalische Chemie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) entstehen ultradünne, hochgeordnete Schichten von Hydrogelkugeln, in denen Gold- oder Silberpartikel eingeschlossen sind.

Diese Strukturen sind für Anwendungen in der Optoelektronik – der Informations- und Kommunikationstechnik auf Grundlage von Licht – und Nanophotonik interessant. Ergebnisse zu einem wichtigen Schritt in Richtung sogenannter „plasmonischer Nanolaser“ veröffentlichen die Forscher in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces.

Die Arbeitsgruppe „Kolloide und Nanooptik“ um Prof. Dr. Matthias Karg am Institut für Physikalische Chemie hat eine einfache und zugleich präzise Technik entwickelt, um hochgeordnete Teilchenschichten zu entwickeln. Sie nutzen winzig kleine, weiche und deformierbare Polymerkugeln mit einer hydrogelartigen Struktur.

Hydrogele sind wassergequollene dreidimensionale Netzwerke. Solche Strukturen kennt man zum Beispiel von Superabsorbern in Babywindeln, die in der Lage sind, große Mengen an Wasser zu binden.

Innerhalb dieser Kügelchen befinden sich winzige, nur wenige Nanometer große Gold- beziehungsweise Silberpartikel, die Kargs Team selber an der HHU aus Salzen der Metalle in einem Reduktionsverfahren herstellt.

„Wir können die Größe der Goldpartikel sehr genau einstellen, denn die Hydrogelhüllen sind für gelöste Metallsalze durchlässig, wodurch ein nachträgliches Überwachsen der Goldkerne möglich wird.“ Den Aufbau dieser Kern-Schale Partikel kann man in etwa mit einer Kirsche vergleichen. Hier ist ein harter Kern vom weichen Fruchtfleisch umgeben. Die Partikel aus dem Labor sind allerdings etwa einhunderttausendmal kleiner.

Aus einer verdünnten Lösung dieser Hydrogelkügelchen können die Düsseldorfer dann dünne Schichten herstellen. Sie geben die Kügelchen auf eine Wasseroberfläche, an der sich von alleine eine hochgeordnete und bunt schillernde Schicht ausbildet. Diese Schicht heben sie mithilfe von Glasträgern von der Wasseroberfläche ab. Durch diesen Übertrag auf das Glas schillert nun der gesamte Glasträgern.

Schaut man sich diese Schicht unter dem Elektronenmikroskop an, sieht man ein regelmäßiges Sechseckmuster kleiner Punkte. „Dies sind die Goldpartikel in ihren Hüllen“, erläutert Doktorandin Kirsten Volk, „und wir sehen, dass diese in einer einzigen, hochgeordneten Schicht liegen.“ Die Goldpartikel sorgen für die Farbigkeit der Schicht: An ihnen wird sichtbares Licht bestimmter Wellenlängen reflektiert, welches interferiert und so unter verschiedenen Blickwinkeln einen unterschiedlichen Farbeindruck gibt.

„Diese dünnen Schichten sind für die Optoelektronik – also die Datenleitung und -verarbeitung mit Hilfe von Licht – sehr spannend. Mit ihnen kann es außerdem möglich werden, miniaturisierte Laser zu bauen“, so Prof. Karg. Solche Nanolaser sind nur Nanometer groß und stellen damit eine Schlüsseltechnologie im Bereich der Nanophotonik dar.

In einer jetzt in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlichten Studie haben die Düsseldorfer Forscher eine wichtige Hürde auf dem Weg zu solchen Nanolasern genommen. Sie konnten die Goldpartikel durch von außen eingestrahltes Licht zu kollektiven Schwingungen anregen.

Es wird also nicht jedes Goldteilchen individuell angeregt, sondern alle Teilchen schwingen gemeinsam. Diese gemeinsame Schwingung ist die Grundvoraussetzung für den Aufbau von Lasern. Das besondere an den veröffentlichen Forschungsergebnissen ist, dass die Teilchenschichten nicht nur sehr einfach und auf großen Flächen aufgebaut werden können, sondern auch besonders dünn sind.

Für optoelektronische Anwendungen und Nanolaser müssen die Schwingungen in den dünnen Schichten weiter verstärkt werden. Prof. Karg: „Als Nächstes werden wir versuchen, die Anregung durch eine gezielte Dotierung weiter zu verstärken. Langfristig könnte es so auch gelingen elektrisch betreibbare Nanolaser zu realisieren.“

Kirsten Volk, Joseph P. S. Fitzgerald, and Matthias Karg, In-Plane Surface Lattice and Higher Order Resonances in Self-Assembled Plasmonic Monolayers: From Substrate-Supported to Free-Standing Thin Films, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019 11 (17), 16096-16106
DOI: 10.1021/acsami.9b03197

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b03197