Zur Synthese von photonischen Kolloidkristallen aus Suspensionen sphärischer Nanopartikel

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Heike Pfeiffer
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1 Markus Gilbert Zur Synthese von photonischen Kolloidkristallen aus Suspensionen sphärischer Nanopartikel Kolloidkristalle Für die Photonik AG Greulich-Weber

2 Zur Synthese von photonischen Kolloidkristallen aus Suspensionen sphärischer Nanopartikel Neue Materialien für die Photonik - Synthetische Opale Nanopartikel als Bausteine für photonische Kristalle Eigenschaften kolloidaler Suspensionen Syntheseverfahren optische Eigenschaften Angriffspunkte neuer Technik Kolloidkristalle Für die Photonik AG Greulich-Weber

3 Neue Materialien für die Photonik - Synthetische Opale Das optische Farbspiel natürlicher Opale ist reizvoll......und Forschungsobjekt der Photonik

4 Photonische Kristalle Der Farbeindruck von Opalen ist auf die Periodizität des Brechungsindex zurückzuführen. Photonischer Kristall

5 Nanopartikel als Bausteine Grenzen der herkömmlichen lithographischen Herstellung 200 nm Teilchen in Suspension als Ausgangssystem Anordnung und Dynamik sind statistischer Natur! Eine kristalline Überstruktur solcher Teilchen zu erzeugen ist der erste Schritt zu photonischen Kristallen im optischen Bereich.

6 Unter welchen Umständen gelangen Partikel durch Selbstorganisation zu Nanostrukturen?

7 Durch Selbstorganisation zu Kolloidkristallen Selbstorganisation Entropie Idee: Man erzeugt eine große Anzahl identischer Bausteine und setzt diese kollektiv einer Umgebung aus, die eine höhere Ordnung erzwingt.

8 Phasenübergänge bei 230 nm Kugeln im Sediment g l s E Sediment 230 nm SiO 2 -Kugeln in Ethanol (Gesamthöhe ca. 3mm). Üblicherweise werden die Bezeichnungen aus der Thermodynamik übernommen.

9 Phasenübergänge bei 230 nm Kugeln im Sediment Schnitt (E): optischer Eindruck der kolloidalen Phasen Reflexion und Transmission Sediment 230 nm Kugeln in Ethanol X 100

10 Eigenschaften kolloidaler Suspensionen mesoskopischer Bereich: nm Wechselwirkungen der Partikel Coulomb-Potential van der Waals Attraktion Verdrängungspotential Dynamik in kolloidalen Suspensionen Diffusion Selbstdiffusion

11 Phasenübergänge und Hartkugelsimulationen Wirkparameter: Teilchendichte φ Überschreitet φ den kritischen Wert von 0.49 ist es für das System entropisch günstiger eine Fernordnung auszubilden und es kommt zur Kristallisation.

12 Phasenübergänge und Hartkugelsimulationen Experimentell gewonnenes Phasendiagramm nach Pusey et al.. Der kristalline Volumnanteil der Proben in Abhängigkeit des jeweiligen Kugelvolumenanteils φ der Suspensionen φ

13 Wechselwirkungen der Partikel V / k B T d / nm Berechnung der DLVO-Potentiale von 200-nm Kugeln mit einem Oberflächenpotential von 25 mv bei den Elektrolytkonzentrationen 1-5, 0,3-0,6 mol/l, [23].

14 Systematische Untersuchung der Phasentrennung in Suspensionen von Kugeln unterschiedlicher Größe Nr. Radius Tage Anfang des Kristallinen Bereichs Ende des Kristallinen Bereichs Phasen- Grenze Flüssig-Gas Reflektion nm mm mm mm blau/grün rot d grün e rot 67g n.b n.b grün 66g rot / grün 96c blau Sedimentierungsreihe. Die angegebenen Maße in mm sind vom Küvettenboden aus gemessen.

15 Systematische Untersuchung der Phasentrennung in Suspensionen von Kugeln unterschiedlicher Größe A: B: C Die im Experiment auftretenden Schichtungen (A, B) der flüssigen, fest-geordneten (C) und festamorphen Phasen.

16 Systematische Untersuchung der Phasentrennung in Suspensionen von Kugeln unterschiedlicher Größe Sedimentierung in Küvetten 10 x 2 x 40 mm, mit glatten Glasböden. Die Suspensionen wurden im Ultraschall-bad redispergiert und über eine Woche sedimentiert. Nr. Radius nm Tage Anfang des kristallinen Bereichs Ende des kristallinen Bereichs Phasen- Grenze Flüssig-Gas Reflektion 67d grün rot g rot / grün x blau

17 Kristallisation im Zentrifugalfeld Im Gegensatz zu Vorversuchen mit üblichen Laborzentrifugen bei über 2000 U/min, kann schwache Fliehkraft durchaus den Sedimentierungs-prozess beschleunigen ohne die Kristallbildung zu unterbinden. Nr. Stunden Kristallithöhe Nr. Stunden Kristallithöhe g d Sedimentierungsreihe, im Zentrifugalfeld. (20-X Erdbeschleunigung)

18 Kristallisation im Zentrifugalfeld Geichgewichtszustände von Suspensionen mit Kugelradien von 88 und 115 nm g 88 nm 115 nm s s s/l l s/l Bei beiden Proben sind die Phasenübergänge vollständig reversibel bezüglich einer Änderung der Zentrifugalbeschleunigung.

19 Bildauswertung und Strukturinterpretation Probe 66g in Reflektion...und Transmission

20 Bildauswertung und Strukturinterpretation Probe 30 in Reflektion, zentrifugiert ohne und mit und Ultraschall

21 spektroskopische Analyse Braggbedingung: λ = 2d sin β mittlerer Brechungsindex: n = η n ( η n ) 2 2 modifizierte Bragggleichung: λ0 = d n sin α 0 k 0 β 0

22 spektroskopische Analyse Braggbeziehung, aufgetragen in Einheiten a/λ 0, mit a, der Gitterkonstanten. Die Schnittlinien markieren die möglichen Überlagerungen von Reflexen durch Verkippung des Kristalls um die bezeichneten Symmetrieachsen.

23 spektroskopische Analyse

24 spektroskopische Analyse Gittervektor Banddiagramm, berechnet in einem Projekt am Parallel Computing center (pc 2 ) der Universität Paderborn. Simuliert ist die Zustandsdichte für Photonen im FCC-Gitter (ε-kontrast = 1,05)

25 spektroskopische Analyse Reflektionsspektrometer: L K C M G z x L = Lichtleiter, G = Goniometer, M = Monochromator, C = Computer, K = CCD-Kamera. In der Anordnung werden Kugelschichten in der XY-Ebene detektiert und ein Reflektionsprofil gemessen, dass die Überlagerung aus der diffusen lambertschen Streuung und gittertypischen Braggreflexen der Kristallite darstellt

26 spektroskopische Analyse I/I λ 0 (nm) Streuspektrum, Probe 98 senkrecht zur <111>-Wachstumsrichtung

27 spektroskopische Analyse 104 I/I 0-90 λ 0 (nm) 78 Streuspektrum, Probe 98 normierte Darstellung

28 spektroskopische Analyse Erste Brillonzone einer fcc- und fcc-hcp Mischstruktur

29 spektroskopische Analyse 90 λ 0 (nm) Streuspektrum, Probe 66g, unter 90, normierte Darstellung

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