Welche Nanopartikel außer Halbleiter-Quantenpunkten gibt es noch?

Transkript

1 4 Nanopartikel Welche Nanopartikel außer Halbleiter-Quantenpunkten gibt es noch? Welt der Elektronen Halbleiter Isolatoren Metalle Welt der Photonen Absorbierende Materialien Reflektierende Materialien Dielektrische Materialien (Quanten)-Effekte bei 4.1 Kleinen metallischen Systemen 4.2 Kleinen organischen Systemen 5 Photonische Kristalle 4.3 Fein strukturierten Oberflächen

2 4.1 Metallische Nanopartikel (Metallische Kolloide, metallische Quantenpunkte, Plasmon Dots) Metalle sind gute Spiegel R = ( n 1) ( n 1) n n Reflexion aus Fresnelschen Formeln n = σ /2εω 0 Drudesche Gleichung: Zusammenhang von Leitfähigkeit, Frequenz und Brechzahl Von DC bis ins IR gilt das Gesetz mit konstanter Leitfähigkeit...bis es zu Resonanzen des Elektronensystems kommt und die Elektronen nicht mehr direkt dem äußeren elektrischen Feld folgen

3 4.1 Metallische Nanopartikel Plasmonenresonanzen Kollektive Anregungen des Elektronensystems mx = ee Freies Elektron wird im elektrischen Feld beschleunigt Bei einer elektromagnetische Welle mit xt (), Et ()~ e iωt Ergibt sich x = Damit trägt jedes der N Elektronen pro Volumen zu einer Polarisierung bei Dielektrische Funktion 2 ee/ mω ( ) ε ω 2 Ne P = Nex = E 2 mω D( ω ) P( ω ) = = 1+ ε E ω ε E ω ( ) 0 0 ( )

4 4.1 Metallische Nanopartikel Plasmonenresonanzen Kollektive Anregungen des Elektronensystems ε ω ( ) = 1 2 Ne 2 ε mω 0 Plasmafrequenz ε ω ( ) = 1 ω 2 ω p 2 ω p = 2 Ne ε m 0 Plasmonen sorgen für Dämpfung in Metallen und Dielektrika (UV) oder auch in dotierten Halbleitern (IR)

5 4.1 Metallische Nanopartikel Plasmonfrequenz mit Dämpfung (z.b. ohmsche Verluste) Typische Energien von Volumenplasmonen in ev ε ω ( ) 2 ω p = 1 2 ω +Γ i ω ω p ω ω p ω p Reflexion Absorption Schwache Reflexion und Transparenz

6 4.1 Metallische Nanopartikel Plasmonen an Oberflächen ω = 1 ω op p Spezialfall Plasmonen in kleinen Partikeln (R<<λ) Elektrisches Feld ist homogen und äußere Anregungen bewirken wie in einer Antenne eine Polarisierung Feld im Inneren der Kugel: E i = E 0 3ε ε + m 2ε m Wird maximal wenn ε = 2ε m E ω = Also bei 1 ω p 2ε + 1 m Resonanz ist unabhängig von der Größe der Partikel (im Rahmen dieser Näherung), aber abhängig von der Matrix

7 4.1 Metallische Nanopartikel Beispiel: Spektren von inhomogenen Kolloiden (Abhängig von der umgebenden Matrix)

8 4.1 Metallische Nanopartikel Uralte Anwendung: Kirchenfenster

9 4.1 Metallische Nanopartikel Herstellungsverfahren für metallische Partikel Reduktion von Metallsalzlösungen (z.b. Silbernitrat) Elektronenstrahllithographie Einmischen in Glas während der Schmelze und anschließendes Sintern Verdampfen des Metalls in einem Trägergas und definiertes Abkühlen Kondensation und Nukleation auf einer Oberfläche

10 4.1 Metallische Nanopartikel Beispiel Gold: Elektronenstrahllithographisch hergestellte Partikel 120nm 160nm Größe der Punkte spielt (bei genauer Rechnung) doch eine Rolle

11 4.1 Metallische Nanopartikel Beispiel Silber: Kondensation und Nukleation auf einer Oberfläche

12 4.1 Metallische Nanopartikel Anregungen in nicht kugelförmigen Partikeln sind polarisationsabhängig

13 4.1 Metallische Nanopartikel Beispiel: langgestreckte Goldpartikel Anwendung: Polarisationsfilter

14 4.1 Metallische Nanopartikel Metallische Nanopartikel Besitzen eine sehr hohe Oszillatorstärke (vgl. Antenne) Absorbieren daher sehr effizient einfallendes Licht und streuen es sofort wieder in alle Richtungen ab So wirken sie als sehr effiziente Emitter mit Abmessungen weit unterhalb der Wellenlänge Anwendungspotenzial: Nanopartikel in unmittelbarer Nähe einer Oberfläche (z.b. einer Fotolackschicht) wird angeregt und beleuchtet im Nahfeld einen Raumbereich jenseits des Abbe-Limits.

15 4.1 Metallische Nanopartikel Nahfeld - Fernfeld Räumliches Auflösungsvermögen x eines Mikroskops ist gegeben durch: x = 0,61 λ NA Strukturen mit Abmessungen kleiner als ~λ/2 verändern die Intensität des propagierenden Lichts, in einem Abstand größer als ~λ/2 merkt man aber von diesem Einfluss nichts mehr. Vgl. Detektion eines Schwimmers in einem Wellenbad Nahfeldmikroskopie (laterale Auflösung bis 1nm)

16 Nahfeld - Fernfeld 4.1 Metallische Nanopartikel

17 4.1 Metallische Nanopartikel Wichtige Detektionsmethode: Scanning Optical Nearfield Microscopy (SNOM oder NSOM) Alternativ verspiegelte Freistrahlspitze Grundidee: Licht wird in eine Faser eingekoppelt Die Faser ist an einer Seite angespitzt und metallisiert Eingekoppeltes Licht propagiert bis zur Einschnürung 2 d V = π n n λ 2 2 core cladding Evaneszentes Licht dringt bis zum Loch in der Spitze vor und kann dort das Nahfeld abtasten bzw. anregen

18 4.1 Metallische Nanopartikel Befund: Einige SNOM-Spitzen ohne Loch haben ein sehr gutes Auflösungsvermögen (besser als mit einem definiert kleinem Loch) Metallischer Nanopartikel hat Radius R<<λ und kann im Nahfeld Bereiche bestrahlen jenseits des Abbe-Limits Das Licht wird über die metallischen Partikel an der Oberfläche bis zur Spitze transportiert und nicht in einem klassischen optischen Wellenleiter in Glas

19 4.1 Metallische Nanopartikel SNOM Bilder (Lumineszenz) von einzelnen Molekülen SNOM-Spitzen mit metallischen Nanopartikeln als Schreib-/Lesekopf 1Tb/in²

20 4.1 Metallische Nanopartikel Optische Datenspeicherung mit definiert gekoppelten Partikeln ermöglicht spektralabhängige Codierung Nahfeld-Effekt + Form der Partikel (Polarisation) + Spektrale Antwort

21 Gekoppelte metallische Nanopartikel als Wellenleiter Idee: Konzept für höchstintegrierte optische Schaltungen 4.1 Metallische Nanopartikel SNOM-Aufnahmen und Rechnungen der Lichtpropagation eines einzelnen Goldpartikels und einer Reihe von Partikeln

22 4.1 Metallische Nanopartikel Hauptprobleme bei metallischen optischen Wellenleitern: Verluste Effiziente Einkoplung

23 4.2 Nanotubes und Fullerene Nanotubes Bindungsmöglichkeiten für Kohlenstoff, sp² oder sp³ Hybridisierung Diamant Graphit Nanotube NEU (1991)

24 Grundstrukturen von Nanotubes 4.2 Nanotubes und Fullerene Single wall Nanotube Multi-wall Nanotube Buckminsterfullerene

25 4.2 Nanotubes und Fullerene Kombinierte Strukturen von Nanotubes Längenrekord: 160cm (Ende 2002)

26 4.2 Nanotubes und Fullerene Kohlefaser Nanotube: Mechanische Eigenschaften Nanotubes sind: 100 mal stabiler als Stahl 30 mal stabiler als Kohlefaser Kohlefaser Anwendungen: Aufzug zur ESS Kugelsichere T-Shirts Reißfeste Strümpfe

27 4.2 Nanotubes und Fullerene Bisher realisierte Anwendungen in kommerziellen Produkten: AFM-Spitze (Atomic Force Mikroscopy) Vorteile: Spitze bricht nicht ab Spitze hast sehr hohes Aspektverhältnis AFM auch als Feedback für SNOM beliebt

28 4.2 Nanotubes und Fullerene Elektrische Leitfähigkeit, Metall-(Isolator)-Halbleiter Erinnerung: periodisches Potenzial macht Bänder, freie Elektronen verteilen sich auf die Zustände Weitere Option: Substituieren von C durch andere Atome wie beim klassischen Dotieren

29 4.2 Nanotubes und Fullerene Elektrische Leitfähigkeit, Metall-Isolator-Halbleiter Zustandsdichte Halbleitende Konfiguration Metallische Konfiguration Außerdem: starke Abhängigkeit von äußeren Feldern und Verspannungen möglich

30 4.2 Nanotubes und Fullerene Künftige Nanotube-Elektronik (Halbleiter-Metall-Isolator)

31 4.2 Nanotubes und Fullerene Selektives Wachstum in Furchen Elektrische Kontaktierung eines einzelnen Nanotubes

32 4.2 Nanotubes und Fullerene Spitzeneffekt, Elektronenmikroskop Elektronenquelle durch Glühemission. Probleme: Spitze brennt ab Neue Justage der magnetischen Ablenkung fällig

33 4.2 Nanotubes und Fullerene Elektronenquelle in Kathodenröhren Energie des Elektrons: W( z) Austrittsarbeit 2 e = WF +Φ ee 4z Fermienergie Bildladung äußeres Feld W ,810 Φ 6 2 E ( ) = 6,2 10 Ee je W F Φ +Φ Tunneln durch feldabhängige Barriere: Fowler-Nordheim Tunneln

34 Nanotube FED (Samsung) 4.2 Nanotubes und Fullerene Feldemission ab 10V/µm

35 Herstellungsverfahren 4.2 Nanotubes und Fullerene Lichtbogen-Entladung mit Graphitkontakten in Gasumgebung Laserablation vom Graphittarget

36 Herstellungsverfahren 4.2 Nanotubes und Fullerene CVD-Prozess auf vorstrukturierter Oberfläche Rekristallisation von Fullerenen im magnetischen Feld: identische Nanotubes! Wachstumsmechanismen noch unklar!

37 4.2 Nanotubes und Fullerene Filme von Nanotubes (mit Laserablation hergestellt) Metallisierte Bündel von Nanotubes

38 4.2 Nanotubes und Fullerene Fullerene NEU Entdeckung 1985, Nobelpreis 1996 Leonardo da Vinci 0,7nm ALT

39 4.2 Nanotubes und Fullerene Anwendungen in der Optik: Maskenmaterial für Lithographie mit sehr geringer Körnigkeit (PMMA liegt bei etwa 10nm) Photovoltaik, Detektoren (Siehe Vorlesungen Plastic Electronic und Solarzellen) Optische Begrenzer (Absorption steigt mit steigender Lichtintensität) Laserschutz Veränderung der Pulsform

40 4.2 Nanotubes und Fullerene Weitere Forschungsrichtungen: Kristalle aus Fullerenen Andere Elemente zum Bau von Nanotubes (III-V-Nanotubes) Kombination mit anderen organischen Gruppen

41 4.2 Nanotubes und Fullerene Zusammenfassung Nanotubes und Fullerene haben ein riesiges Anwendungspotenzial Erste Produkte erhältlich (Detektor, AFM-Spitze, FED) Es existieren billige Herstellungsverfahren für diesen bottum-up Zugang zu Nanostrukturen Probleme: Ankopplung und Schnittstellen Herstellung sehr homogener Tubes

42 4.3 AR und andere Coatings Oberflächen von optischen Komponenten Anteil der verlorenen Lichtintensität (bei der Emission oder Absorption) Erinnerung: Fresnelsche Formeln, Reflexionsgrad bei senkrechtem Einfall: R n 1 = n Verringerte Reflexion durch Beschichtung mit kleinerer Brechzahl 1 nc < < n

43 4.3 AR und andere Coatings Weitere Verringerung der Reflexion durch Ausnutzen von Interferenz: Dicke der Beschichtung λ/4 wählen, so dass reflektiertes Licht destruktiv interferiert. Optimale Brechzahl für die Beschichtung: nc = n Probleme: Winkelabhängigkeit der Reflexion, besonders bei Mehrfachschichten Spektralabhängigkeit Materialwahl für optimierte Brechzahl notwendig

44 4.3 AR und andere Coatings Oberflächen von optischen Komponenten

45 4.3 AR und andere Coatings Texturierte Oberflächen Strukturen größer als die Wellenlänge Herstellung: Anisotropes nasschemisches Ätzen (in Si) Idee: Rückreflektiertes Licht hat eine weitere Chance, in das Material einzudringen

46 Texturierte Oberflächen Strukturen kleiner als die Wellenlänge 4.3 AR und andere Coatings Herstellung: Schwierig (Nanotechnologie) Idee: Es gibt keine Grenzfläche, an der das Licht reflektiert wird Vgl. Samt

47 4.3 AR und andere Coatings Zusammenfassung Klassische Entspiegelung mit einfacher Beschichtung Entspiegelung mit Interferenz Mehrfachreflexion durch Oberflächentexturierung Taperung in nanostrukturierten Oberflächen