Kein Folientitel - KIT

Werbung
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
4.3 Fein strukturierten Oberflächen
5 Photonische Kristalle
4.1 Metallische Nanopartikel
(Metallische Kolloide, metallische Quantenpunkte, Plasmon Dots)
Metalle sind gute Spiegel
n − 1) + n 2
(
R=
2
( n + 1) + n2
Reflexion aus Fresnelschen Formeln
n = σ / 2ε 0ω
Drudesche Gleichung: Zusammenhang
von Leitfähigkeit, Frequenz und Brechzahl
2
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
4.1 Metallische Nanopartikel
Plasmonenresonanzen – Kollektive Anregungen des Elektronensystems
mx = −eE
Freies Elektron wird
im elektrischen Feld
beschleunigt
Bei einer elektromagnetische Welle mit
x(t ), E (t ) ~ e − iω t
Ergibt sich
x = eE / mω 2
2
Ne
Damit trägt jedes der N Elektronen pro
P = − Nex = −
E
2
Volumen zu einer Polarisierung bei
mω
D (ω )
P (ω )
Dielektrische Funktion ε (ω ) =
= 1+
ε 0 E (ω )
ε 0 E (ω )
4.1 Metallische Nanopartikel
Plasmonenresonanzen – Kollektive Anregungen des Elektronensystems
Ne 2
ε (ω ) = 1 −
ε 0 mω 2
Plasmafrequenz
ω
ε (ω ) = 1 −
ω
Ne 2
ωp =
ε0m
2
p
2
Plasmonen sorgen für
Dämpfung in Metallen und
Dielektrika (UV) oder auch in
dotierten Halbleitern (IR)
4.1 Metallische Nanopartikel
Plasmonfrequenz mit
Dämpfung (z.B.
ohmsche Verluste)
ε (ω ) = 1 −
 ω p

ω  ≈ ωp
 ω
p

Typische Energien von
Volumenplasmonen in eV
ω p2
ω + iΓ ω
2
Reflexion
Absorption
Schwache Reflexion und Transparenz
4.1 Metallische Nanopartikel
Plasmonen an Oberflächen
1 2
ω = ωp
2
2
op
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:
Wird maximal wenn
Also bei
ω1 =
3ε m
Ei = E0
ε + 2ε m
+
+++ ++
_ _ __ _ _
ε = −2ε m
ωp
2ε m + 1
E
Resonanz ist unabhängig von der Größe
der Partikel (im Rahmen dieser
Näherung), aber abhängig von der Matrix
4.1 Metallische Nanopartikel
Beispiel: Spektren von inhomogenen Kolloiden
(Abhängig von der umgebenden Matrix)
4.1 Metallische Nanopartikel
Uralte Anwendung: Kirchenfenster
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
4.1 Metallische Nanopartikel
Beispiel Gold: Elektronenstrahllithographisch hergestellte Partikel
120nm
160nm
Größe der Punkte spielt (bei genauer Rechnung) doch eine Rolle
4.1 Metallische Nanopartikel
Beispiel Silber: Kondensation und Nukleation auf einer Oberfläche
4.1 Metallische Nanopartikel
Anregungen in nicht kugelförmigen Partikeln sind
polarisationsabhängig
4.1 Metallische Nanopartikel
Beispiel: langgestreckte Goldpartikel
Anwendung: Polarisationsfilter
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.
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)
4.1 Metallische Nanopartikel
Nahfeld - Fernfeld
4.1 Metallische Nanopartikel
Wichtige Detektionsmethode: Scanning Optical Nearfield Microscopy
(SNOM oder NSOM)
Grundidee:
•Licht wird in eine Faser
eingekoppelt
•Die Faser ist an einer Seite
angespitzt und metallisiert
•Eingekoppeltes Licht propagiert bis
zur Einschnürung
V=
2π d
λ
2
2
− ncladding
ncore
•Evaneszentes Licht dringt bis zum
Loch in der Spitze vor und kann dort
das Nahfeld abtasten bzw. anregen
Alternativ – verspiegelte Freistrahlspitze
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
4.1 Metallische Nanopartikel
SNOM Bilder (Lumineszenz) von einzelnen Molekülen
SNOM-Spitzen mit metallischen Nanopartikeln als
Schreib-/Lesekopf
1Tb/in²
4.1 Metallische Nanopartikel
Optische Datenspeicherung mit
definiert gekoppelten Partikeln
ermöglicht spektralabhängige
Codierung
Nahfeld-Effekt +
Form der Partikel (Polarisation) +
Spektrale Antwort
4.1 Metallische Nanopartikel
Gekoppelte metallische
Nanopartikel als Wellenleiter
Idee: Konzept für
höchstintegrierte optische
Schaltungen
SNOM-Aufnahmen und
Rechnungen der
Lichtpropagation eines
einzelnen Goldpartikels und
einer Reihe von Partikeln
4.1 Metallische Nanopartikel
Hauptprobleme bei metallischen optischen Wellenleitern:
•Verluste
•Effiziente Einkoplung
4.2 Nanotubes und Fullerene
Nanotubes
Bindungsmöglichkeiten für Kohlenstoff, sp² oder sp³ Hybridisierung
•Diamant
•Graphit
•Nanotube
NEU
(1991)
4.2 Nanotubes und Fullerene
Grundstrukturen von Nanotubes
Single wall Nanotube
Multi-wall Nanotube
Buckminsterfullerene
4.2 Nanotubes und Fullerene
Kombinierte Strukturen von Nanotubes
Längenrekord: 160cm
(Ende 2002)
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
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
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
4.2 Nanotubes und Fullerene
Elektrische Leitfähigkeit, Metall-Isolator-Halbleiter
Zustandsdichte
•Halbleitende
Konfiguration
•Metallische
Konfiguration
Außerdem: starke Abhängigkeit
von äußeren Feldern und
Verspannungen möglich
4.2 Nanotubes und Fullerene
Künftige Nanotube-Elektronik (Halbleiter-Metall-Isolator)
4.2 Nanotubes und Fullerene
Selektives Wachstum in Furchen
Elektrische Kontaktierung eines
einzelnen Nanotubes
4.2 Nanotubes und Fullerene
Spitzeneffekt, Elektronenmikroskop
Elektronenquelle durch
Glühemission.
Probleme:
•Spitze brennt ab
•Neue Justage der magnetischen
Ablenkung fällig
4.2 Nanotubes und Fullerene
Elektronenquelle in Kathodenröhren
Energie des Elektrons:
Austrittsarbeit
äußeres Feld
e2
W ( z ) = WF + Φ − − eE
4z
Fermienergie Bildladung
6,8⋅107 ⋅Φ3 2
−
2
E
W Φ
j ( E ) = 6, 2 ⋅10
E e
WF + Φ
6
Tunneln durch feldabhängige Barriere:
Fowler-Nordheim Tunneln
4.2 Nanotubes und Fullerene
Nanotube FED (Samsung)
Feldemission ab 10V/µm
4.2 Nanotubes und Fullerene
Herstellungsverfahren
•Lichtbogen-Entladung
mit Graphitkontakten in
Gasumgebung
•Laserablation vom
Graphittarget
4.2 Nanotubes und Fullerene
Herstellungsverfahren
•CVD-Prozess auf
vorstrukturierter
Oberfläche
•Rekristallisation von
Fullerenen im
magnetischen Feld:
identische Nanotubes!
Wachstumsmechanismen noch unklar!
4.2 Nanotubes und Fullerene
Filme von Nanotubes (mit
Laserablation hergestellt)
Metallisierte Bündel
von Nanotubes
4.2 Nanotubes und Fullerene
Fullerene
NEU
Entdeckung 1985, Nobelpreis 1996
Leonardo da Vinci
ALT
0,7nm
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
4.2 Nanotubes und Fullerene
Weitere Forschungsrichtungen:
•Kristalle aus Fullerenen
•Andere Elemente zum Bau
von Nanotubes (III-V-Nanotubes)
•Kombination mit anderen
organischen Gruppen
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
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:
 n −1 
R=

 n +1
2
Verringerte Reflexion durch Beschichtung mit kleinerer Brechzahl
1 < nC < n
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
4.3 AR und andere Coatings
Oberflächen von optischen Komponenten
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
4.3 AR und andere Coatings
Texturierte Oberflächen –
Strukturen kleiner als die
Wellenlänge
Herstellung:
Schwierig (Nanotechnologie)
Idee:
Es gibt keine Grenzfläche, an der
das Licht reflektiert wird
Vgl. Samt
4.3 AR und andere Coatings
Zusammenfassung
•Klassische Entspiegelung mit einfacher Beschichtung
•Entspiegelung mit Interferenz
•Mehrfachreflexion durch Oberflächentexturierung
•Taperung in nanostrukturierten Oberflächen
Herunterladen
Explore flashcards