Die durch Nanotechnologien eröffneten Perspektiven hängen stark davon ab, wie gut es gelingt, Materialien hochauflösend, kostengünstig und auf makroskopischen Proben in Nanostrukturen zu verwandeln. Plasmonik, Nanophotonik und Optoelektronik gehören zu den aktivsten Forschungsfeldern, die derartige Nanostrukturierungen erfordern.
In dem in dieser Arbeit beschriebenen neuartigen Ansatz wird eine Schicht von Nanopartikeln, die an der Wasser/Luft-Grenzfläche schweben, durch einfachen Kontakt auf ein nanostrukturiertes Substrat übertragen, wobei gleichzeitig alle Löcher, die das Muster bilden, gefüllt werden.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen Silber-Nanowürfel (55 nm Seitenlänge), die präzise und auf mehreren Maßstäben angeordnet sind, mit einer Auflösung, die ihrer Größe entspricht. Die regelmäßige Anordnung dieser "Meta-Atome" auf einer Oberfläche verleiht dieser optische Funktionen, die die Herstellung von ultradünnen optischen Bauteilen ermöglichen.
© Muhammad L. Fajri et al.
Im Allgemeinen werden die Vorteile einer Nanostrukturierung von Materie durch ein Forschungsexperiment demonstriert, das die Herstellung einer besonderen Probe durch einen sogenannten Top-down-Ansatz erfordert. Dabei wird die Materie durch Schritte wie Abscheidung, Lithografie und Ätzen geformt. Die Kosten und die Komplexität der eingesetzten Nanofertigungsprozesse werfen jedoch ernsthafte Fragen zur industriellen Machbarkeit der gewonnenen Materialien auf, insbesondere wenn es um die makroskopische Herstellung der für konkrete Anwendungen erforderlichen Materialmengen geht.
Eine alternative, sogenannte Bottom-up-Strategie besteht darin, kolloidale Synthese mit direktioniertem Selbstaufbau zu kombinieren. Dies ermöglicht die Herstellung von Nanomustern (kleine Netzwerke aus zusammengefügten und/oder gesinterten Kolloiden) mit hochwertigen Materialien und realistischen Aussichten für eine makroskopische Produktion zu vernünftigen Kosten.
Die Referenztechnik für das direktionierte Aufbauen verwendet einen Tropfen hochkonzentrierter kolloidaler Lösung, der über das Substrat gezogen wird – einem nanostrukturierten Elastomer mit eingebetteten Löchern durch Abformung. Beim Gleiten des Tropfens gelangen die Nanopartikel in die Löcher und bleiben dort gefangen, in einem komplexen dynamischen Prozess, der mehrere Kräfte (kapillare, Reibungs-, Haftkräfte) einbezieht. Leider ist dieser Prozess anfällig für Instabilitäten und beschränkt diese Technik auf die Herstellung von 1D-Meta-Atomen mit geringer Dichte.
Aus diesem Grund war es bisher nicht möglich, kolloidales Material in Nanomustern mit hoher Auflösung, fehlerfrei und unter Beachtung willkürlich komplexer Geometrien durch diese dynamische Depottechnik zu erzeugen.
In einer aktuellen Arbeit haben Forscher des Interdisziplinären Zentrums für Nanowissenschaften von Marseille (CINaM, Aix-Marseille Université / CNRS), des Zentrums für Forschung über Heteroepitaxie und ihre Anwendungen (CRHEA, CNRS / Université Côte d'Azur) und des Instituts für Mikroelektronikmaterialien und Nanowissenschaften der Provence (IM2NP, Aix-Marseille Université / CNRS / Universität Toulon) die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes erheblich verbessert.
Die innovative Idee bestand darin, als Ausgangspunkt eine Schicht von Nanopartikeln zu verwenden, die an der Wasser/Luft-Grenzfläche anstelle eines konzentrierten Tropfens schwimmt. Dadurch wird nicht nur eine sehr hohe Konzentration erreicht, sondern auch eine hervorragende Stabilität (keine durch Strömungen induzierten und instabilitätserzeugenden Wechselwirkungen) sowie eine hohe Mobilität.
Diese schwimmende Schicht wird durch einfachen Kontakt auf das nanostrukturierte Substrat übertragen, wobei alle Löcher, die das Muster bilden, gleichzeitig gefüllt werden. Dank dieser Montageweise, die im Vergleich zur verbesserten Methode als "quasi-statisch" bezeichnet werden kann, bestimmen die Form, Dichte und Organisation der Muster nicht mehr über den Erfolg oder Misserfolg des Herstellungsverfahrens.
Die Forscher zeigen in dieser Arbeit, dass es möglich ist, 2D-Meta-Atome (kolloidale Muster, die auf einen Glasobjektträger aufgebracht sind) mit echter Freiheit in Bezug auf ihre Geometrie und Komplexität zu erzeugen (sie erstellen beispielsweise Muster in Form von Tetris-Steinen oder bilden das Wort CNRS), was bisher nicht möglich war.
Dieser Erfolg, zusammen mit der Fähigkeit, solche Anordnungen periodisch auf großen Flächen zu erzeugen, macht diese neue Technik zu einer bahnbrechenden Innovation im Bereich der Metaflächen für Optik und Nanophotonik. Als Machbarkeitsnachweis schlagen sie eine Metafläche vor, die durch ihre geometrische Phase das reflektierte Licht mit zirkularer Polarisation auf eine ganz besondere Weise "bildhauert" – was bei traditionellen Materialien nicht möglich ist.
Dieser innovative Ansatz zur Montage von Meta-Atomen ist der Ausgangspunkt für die vollständig Bottom-up-Fabrikation von Metaflächen, wird aber langfristig auch ein leistungsstarkes Werkzeug werden, um neue Nano-Objekte zu schaffen und zu untersuchen, die chemisch extrem schwer oder gar nicht synthetisierbar sind. Diese Ergebnisse wurden in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht.
Referenz:
Designer Metasurfaces via Nanocube Assembly at the Air−Water Interface,
ACS Nano, veröffentlicht am 19. August 2024.
Doi: 10.1021/acsnano.4c06022
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