Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Ultradünne Supergitter als Goldnanopartikeln für die Nanophotonik

21.05.2019

HHU / Christoph Kawan

Auf einen Glasträger übertragene ultradünne Schicht aus Hydrogelkügelchen mit Goldpartikeln.

HHU / Christoph Kawan

Herstellung der Schichtstruktur, (v.l.): Zunächst wird eine Lösung von der Hydrogelkügelchen mit den darin enthaltenen Goldpartikeln vorsichtig auf eine Wasseroberfläche aufgebracht. Diese bildet blitzschnell eine ultradünne, schimmernde Schicht, die anschließend mit einem Glasträger abgehoben werden kann.

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.“

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Gold-Nanopartikel
  • Nanophotonik
  • Nanolaser
Mehr über Universität Düsseldorf
  • News

    Wie man den Nobelpreis nicht gewinnt

    Am 10. Dezember werden in Stockholm die diesjährigen Nobelpreise verliehen. Seit mehr als 100 Jahren ist der Nobelpreis die Krönung einer wissenschaftlichen Laufbahn. Der Preis sollte, so sein Stifter Alfred Nobel, denen zuteil werden, die im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nut ... mehr

    Polarisiertes Deuterium bringt Kernfusion auf Trab

    Polarisiertes Deuterium kann die Reaktionsrate in zukünftigen Fusionsreaktoren deutlich verbessern. Physiker rund um Prof. Markus Büscher vom Jülicher Peter Grünberg Institut und vom Institut für Laser- und Plasmaphysik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf werden mit Kollegen vom russi ... mehr

    Fonds der Chemischen Industrie fördert Chemikerausbildung

    Mit 67.000 Euro unterstützt der Fonds der Chemischen Industrie (FCI) die Studierendenausbildung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) an ihrem Standort im Forschungszentrum Jülich. Uwe Wäckers vom Verband der Chemischen Industrie e. V. – Landesverband NRW – (VCI NRW), besichtigte ... mehr

  • Stellenangebote

    Chemisch-technischer Assistent/-in

    Die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf sucht für das Institut für Anorganische Chemie und Strukturchemie, Lehrstuhl II: Material- und Strukturforschung zum nächstmöglichen Zeitpunkt unbefristet eine/einen Chemisch-technische/n Assistenten/-in. Am Lehrstuhl für Material- und Strukturforsc ... mehr

  • q&more Artikel

    Überraschend einfache Moleküle als potenzielle OLED-Emitter?

    Organische Leuchtdioden (OLEDs) erobern derzeit den Markt für Displays von Smartphones und Fernsehgeräten. Sie besitzen aber auch ein großes Potenzial als Leuchtmittel. Allerdings erreichen die bislang verfügbaren Emitter für den blauen Teil des sichtbaren Spektrums nicht die Effizienz und ... mehr

  • Autoren

    Kristoffer Thom

    Kristoffer Thom, Jahrgang 1993, studierte Chemie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und widmete sich während seiner Bachelorarbeit in der Gruppe von Rainer Weinkauf der Untersuchung von Peptiden mittels Massenspektrometrie. Für seine Masterarbeit wechselte er zur Arbeitsgruppe von ... mehr

    Prof. Dr. Peter Gilch

    Peter Gilch, Jahrgang 1970, studierte Chemie an der Universität Konstanz bevor er 1999 an der Technischen Universität München promovierte. Anschließend habilitierte er sich 2004 am Lehrstuhl für Biomolekulare Optik der Ludwig-Maximilians-Universität München. Seit 2009 hat er eine Professur ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.