Mittels optischen Laserstrahlen ist es einer Forschergruppe des FOM Instituts in Amsterdam gelungen, geordnete zweidimensionale Strukturen aus Metall- sowie Glasnanoteilchen zu bilden. Die Teilchen werden in wässriger Lösung mittels Laserstrahlen gefangen und können mit einer Genauigkeit von unterhalb eines Mikrometers (Tausendstel Millimeter) auf einer Glasplatte platziert werden. Darüber berichtet das Fachblatt Applied Physics Letters (Band 80 Seite 4828). Dieser Herstellungsvorgang eignet sich für die Erzeugung von auf Nanoteilchen basierender elektrooptischer Geräte sowie für zahlreiche Anwendungen in der chemischen Katalytik und ist zudem vollständig automatisierbar.
Die experimentelle Anordnung zur Erzeugung der geordneten Nanoteilchenstrukturen wurde von Alfons van Blaaderen und seinen Kollegen mit den herkömmlichen und relativ billigen Geräten eines Optiklabors hergestellt. Die anzuordnenden kugelförmigen Teilchen wurden zunächst in wässriger Lösung zwischen zwei nur 10 Mikrometer voneinander entfernte parallele Glasplättchen gebracht und lagerten sich im einfachsten Fall auf der unteren Platte ab. Diese so genannte “Flüssigkeitszelle” wurde dann auf den Tisch eines optischen Mikroskops gebracht. Mittels eines stark fokussierten Infrarotlaserstrahls konnten die Forscher dann einzelne Teilchen im Brennpunkt des Laserstrahls einfangen, zu der oberen Glasplatte transportieren und dort an einem gewünschten Ort ablagern.
Die stabile Positionierung der Teilchen gelang durch einen chemischen Trick: Die Oberfläche der Nanoteilchen und die obere Glasplatte wurden mit unterschiedlicher Polarität elektrisch aufgeladen, so dass die Teilchen an der Platte aufgrund elektrostatischer Kräfte haften blieben. Diese Wechselwirkung war so stark, dass die hergestellten Teilchenstrukturen das Austrocknen der wässrigen Trägerflüssigkeit heil überstanden.
Van Blaaderen demonstriert auf diese Weise in seiner Arbeit die Herstellung von geordneten eindimensionalen Strukturen aus mit einem Goldkern versehenen Glasteilchen mit einem Durchmesser von nur 79 Nanometern. Die einzelnen Teilchen waren etwa einen Mikrometer voneinander entfernt. Derartige Strukturen könnten sich unter anderem zur Herstellung von winzigen elektromagnetischen Wellenleitern eignen. Daneben haben die Forscher zweidimensionale periodische Anordnungen aus Glasteilchen hergestellt und zudem nachgewiesen, dass derartige Strukturen als Ausgangspunkt zur Herstellung dreidimensionaler Nanoteilchen-Kristalle eingesetzt werden können. Diese Kristalle können als so genannte photonische Kristalle in integrierten optischen Schaltkreisen eingesetzt werden.
Die Gruppen von van Blaaderen und Albert Polman des FOM-Instituts haben auf dem Gebiet der auf chemisch hergestellten Nanoteilchen (so genannte Kolloide) basierenden photonischen Kristalle bereits seit Jahren Pionierarbeit geleistet. Mit immer raffinierteren Tricks gelingt es ihnen, die Teilchen in geordneten Strukturen anzuordnen und somit photonische Kristalle auf die gewünschten Wellenlängenbereiche abzustimmen.
Stefan Maier
