Nanostrukturierung für noch bessere Glaskomposite
Glas-Metall-Nanokomposite vereinen in sich eine Vielzahl von Vorteilen im Sinne der Ausgestaltung innovativer Materialien für Photonik- und Optoelektronikanwendungen. Zusätzlich zu ihrer Resonanz im sichtbaren und nahen Infrarotbereich zeigen sie eine sehr schnelle und starke optische nichtlineare Reaktion. Ihre Kompatibilität mit photonischen und elektronischen Schaltungen ermöglicht gleichermaßen einen Einsatz innerhalb verschiedener technischen Anwendungen. Im Kontext von NANOCOM (Nanostructured composite materials) wandten die Forscher die Nanostrukturierung von glasartigen Kompositen an, um innovative Materialien für die Photonik zu entwickeln. Zu den Aktivitäten zählte die Modellierung, Herstellung und Charakterisierung von im Submikronbereich mit Mustern versehenen Nanokompositen, die Herstellung von bimetallischen Glas-Metall-Nanokompositen sowie die Modifikation mit elektrischen Feldern. Zunächst entwickelten die Wissenschaftler Modelle, welche die bei der Bildung von Glas-Metall-Nanokompositen auftretenden physikalischen und chemischen Prozesse beschreiben. Diese ergaben eine genaue quantitative Beschreibung der reaktiven Diffusion von reduzierbaren Metallen und von reduzierenden Mitteln (Wasserstoff) in Gläsern. Nach der erfolgreichen Herstellung von bimetallischen Glas-Metall-Nanokompositen unter Einsatz von Kupfer und Silber stellte das Team fest, dass Kupfernanopartikel näher als Silber an der Glasplattenoberfläche gebildet wurden. Das ermöglicht die Ausführung von Schichtstrukturen mit Submikron-Periodizität zum Einsatz in rein optischen Bauelementen. Neben der experimentellen Demonstration der Theorie der elektrischen feldunterstütztem Auflösung (electric field-assisted dissolution, EFAD), die Glasveränderung und Nanostrukturierung bewirkt, entwickelten die Forscher gleichermaßen relative Modelle zur Beschreibung des Glasverhaltens. Die Erkenntnisse eröffnen neue Wege in Richtung des Einsatzes von Glas zur Fertigung photonischer und optoelektronischer Komponenten. Die Bildung von Metallinselfilmen auf der Glasoberfläche nutzte man zur Fertigung von ein- und zweidimensionalen Gittern aus, indem das Glas mittels einer nanostrukturierten glasartigen Kohlenstoffelektrode gepolt wird. Resultate dieser Art sind auch zur Entwicklung von Sensor- und Plasmonikbauelementen nutzbringend. Zudem führten die Forscher vor, dass durch Variieren der Nanopartikelgröße eine nichtlineare Reaktion hervorgerufen werden kann. Teammitglieder entwickelten drei verschiedene Ansätze einschließlich EFAD zur Fertigung nanophotonischer Glas-Metall-Komponenten. Sie wiesen nach, dass diese Nanostrukturierungsverfahren zur Erzeugung von winzigen Strukturen bis zu 150 nm mit unterschiedlicher Doppelbrechung und variierendem Dichroismus verwendet werden können. Diese Verfahren wurden dann zur Bildung von ein- und zweidimensionalen Beugungsgittern eingesetzt. Mit durch reaktives Ionenätzen erzeugten Gittern demonstrierte man die Fähigkeit zur Steuerung der der nichtlinearen Reaktion dieser Struktur. Dieses Resultat wird sich als nützlich für zukünftige photonische und nichtlineare optische Bauelemente erweisen, die in bestimmten spektralen Bereichen auf (entgegengesetzt) sättigbare Absorption angewiesen sind. Die neu entwickelten Nanokompositmaterialien von NANOCOM können nun die Funktionalität zukünftiger photonischer Komponenten erweitern. Die Projektergebnisse fanden über 36 Publikationen in von Experten begutachteten Fachzeitschriften und auf 50 Konferenzen Verbreitung.
Schlüsselbegriffe
Nanostrukturierung, Glas-Metall-Nanokomposite, Photonik, Optoelektronik, Plasmonikbauelemente
