Neues "Baukastensystem" für maßgeschneiderte Nanomaterialien

22.09.2011: Mikroskopisch dünne Halbleiterfilme mit besonderen elektronischen, magnetischen oder optischen Eigenschaften sind in der Industrie gefragt, weil sie den Bau kompakter und effizienter Geräte ermöglichen – sie finden sich in Solarzellen, Leuchtdioden oder auch Bauelementen der digitalen Elektronik. Besonders interessant sind nanostrukturierte Materialien, bei denen mehrere Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit und die optischen Fähigkeiten gezielt kontrolliert werden können. An der Universität Bielefeld haben Chemiker jetzt hierfür ein "Baukastensystem" entwickelt: Sie stellten Nanokomposite aus Metallnanopartikeln in Oxidstrukturen her, deren Eigenschaften nach Wunsch beeinflusst werden können.

Dr. Naoufal Bahlawane ist federführend für das Forschungsprojekt verantwortlich. Er war bis Ende März in der Arbeitsgruppe Physikalische Chemie I von Prof. Dr. Katharina Kohse-Höinghaus an der Universität Bielefeld tätig, forscht jetzt am Centre de Recherche Public – Gabriel Lippmann in Luxemburg und kooperiert weiter mit der Bielefelder Arbeitsgruppe. "Nach zehn Jahren Forschung haben wir jetzt einen Durchbruch erzielt", sagt Bahlawane. "Mit unserem Ansatz eröffnen sich äußerst weitreichende Möglichkeiten – wir können jetzt mit den Eigenschaften der Materialien spielen und an ganz neue Funktionen denken."

Die Grundlagen für das katalytisch angetriebene Verfahren der Gasphasenabscheidung entwickelten Bahlawane und Kohse-Höinghaus an der Universität Bielefeld. Für die jetzt erschienene Arbeit wurden sie unterstützt von Kooperationspartnern an der Universität Bremen und der Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig, die spezielle Nachweisverfahren bereitstellten. Konkret geht es darum, winzigste Metallpartikel, die etwa eine Million mal kleiner als ein Cent-Stück sind, kontrolliert in eine ultradünne Struktur aus funktioneller Oxidkeramik einzubetten und die Eigenschaften des so entstandenen Nanokomposits dann gezielt hin zur Wunschanwendung zu beeinflussen.

Dabei spielen die chemische Natur der Partikel, ihre Größe und ihre Verteilung in der Struktur ebenso eine Rolle wie die Eigenschaften des umgebenden Oxidmaterials. Erstmals konnte die Gruppe um Bahlawane und Kohse-Höinghaus in ihrem Prozess Oxidmatrix und Nanopartikel völlig unabhängig voneinander kontrolliert so verändern, dass die Absorption von Licht damit in einem bestimmten Wellenlängenbereich angepasst werden kann. Ebenso können auf diese Art Magneteigenschaften gezielt beeinflusst werden. Damit eröffnen sich Möglichkeiten für Anwendungen solcher Nanokomposite in der Herstellung von Solarzellen, für die durch Sonnenlicht angetriebene Katalyse oder für die Datenspeicherung in digitalen Geräten.

Besonders praktisch an dem neuen katalytisch getriebenen Verfahren sei, dass es mit der in der Halbleiterindustrie bereits etablierten Methode der Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) kompatibel ist, sagt Kohse-Höinghaus. Daher wäre eine Anpassung an den Bielefelder Ansatz voraussichtlich mit jetzigen Produktionsanlagen möglich.

Originalveröffentlichung:
"Rational Design of functional oxide thin films with embedded magnetic or plasmonic metallic nanoparticles", Naoufal Bahlawane, Katharina Kohse-Höinghaus, Thomas Weimann, Peter Hinze, Sarah Röhe, Marcus Bäumer, Angewandte Chemie International Edition, 9. September 2011