Plasmonik sind spezielle optische Phänomene, die als Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie verstanden werden und vielfältige Formen, Materialzusammensetzungen und symmetriebezogenes Verhalten aufweisen. Das Design solcher plasmonischer Strukturen auf nanoskaliger Ebene kann den Weg für optische Materialien ebnen, die auf die Ausrichtung des Lichts (Polarisation) reagieren, was in großen Mengen und mit vorhandenen Materialien nicht leicht zu erreichen ist.
In diesem Zusammenhang ist „Schattenwachstum“ eine Technik, die Vakuumabscheidung nutzt, um Nanopartikel aus einem breiten Spektrum von 2D- und 3D-Formen im Nanomaßstab zu erzeugen. Jüngste Forschungsfortschritte bei der Kontrolle dieses Schatteneffekts haben die Möglichkeiten für die Schaffung verschiedener Nanostrukturen erweitert.
In Zwillingsstudien unter der Leitung von Assistenzprofessor Hyeon-Ho Jeong vom Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Republik Korea, haben Forscher nun umfassend Licht auf die jüngsten Fortschritte bei Schattenwachstumstechniken für hybride plasmonische Nanomaterialien geworfen, darunter Clock- inspirierte Designs mit Magnesium (Mg).
Die Studien wurden veröffentlicht in Fortgeschrittene Werkstoffe am 25. März 2022 (mit Jang-Hwan Han und Doeun Kim als Co-Erstautoren und Professor Peer Fischer und Dr. Jeong als Co-Korrespondenzautoren) und Fortschrittliche optische Materialien am 20. November 2023 (mit Juhwan Kim und Jang-Hwan Han als Co-Erstautoren bzw. Dr. Jeong als korrespondierendem Autor).
Der Schatteneffekt bezieht sich hier auf das Vorhandensein „dunkler“ Bereiche auf einer Oberfläche, die von „Keim“-Molekülen verdeckt werden und daher für die Ablagerung verdampfter Materialien unzugänglich sind, ähnlich wie Schattenbereiche, die kein Licht erreichen kann.
Dr. Jeong führt dies weiter aus und sagt: „Da diese schattigen Bereiche die Bereiche sind, in denen das Material nicht abgelagert werden kann, kann eine Reihe dreidimensionaler Nanostrukturen gebildet werden. Diese Bildung hängt von der Größe des Samens und dem Abstand zwischen den Samen ab.“ und die Neigung des Untergrundes.“
Darüber hinaus sagt Doeun Kim, ein Ph.D. Student: „Die Entstehung einzigartiger Nanostrukturen wird durch die Einführung von Rotation während des Prozesses beeinflusst, basierend auf Rotationsgeschwindigkeit, -zeit und -winkel, wodurch letztendlich dreidimensionale Nanostrukturen entstehen.“
In der ersten Studie (als Artikel auf der Titelseite vorgestellt) stellte das Team die Herstellung verschiedener Nanostrukturen mithilfe einer speziellen Schattenwachstumstechnik vor, die als Glanzwinkelabscheidung bekannt ist. Diese Strukturen weisen einstellbare optische Eigenschaften auf, die durch geeignete Modifikationen ihres Materials, ihrer Form und ihrer Umgebung erreicht werden.
Ihr Bericht betont auch ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen, darunter unter anderem Nano- und Mikroroboter zur Wundheilung und Arzneimittelabgabe im menschlichen Körper, photonische Geräte und chirale Spektroskopie.
Für die anschließende Studie erstellte das Team 3D-Rotamere (Moleküle mit spezifischen Rotationsanordnungen), die sowohl linear als auch zirkular polarisieren können und eine erhebliche Menge an Informationen speichern können.
Bei diesem von einer Uhr inspirierten Design werden zwei Nanostäbe aus Mg in einem bestimmten, veränderbaren Winkel platziert, was den Stunden- und Minutenzeigern einer Uhr ähnelt. Diese Nanostrukturen sind auch für verschiedene Anwendungen vielversprechend, beispielsweise für die sichere Überprüfung von Gegenständen wie Banknoten, Fälschungsschutzvorrichtungen und Displays, die bei Bedarf in gewünschte optische Zustände wechseln können.
Dr. Jeong spricht über diese Entwicklungen und blickt auf die Zukunft der Plasmonik: „Diese Rotamere können möglicherweise in physikalisch nicht klonbaren Funktionen eingesetzt werden, einem Bereich, der derzeit intensiv erforscht wird, um ein robustes Sicherheitsniveau von Hardware wie PCs oder Servern zu gewährleisten.“
Ph.D. Student Juhwan Kim fügt hinzu: „Insbesondere die Fähigkeit, UV-Lichtquellen und bestimmte sichtbare Wellenlängen je nach Polarisationszustand selektiv zu filtern, kann auch in Brillen und Fenstern genutzt werden, um Augen und Haut zu schützen, indem UV-Strahlen vom Sonnenlicht blockiert werden.“
Mehr Informationen:
Jang‐Hwan Han et al, Plasmonische Nanostrukturtechnik mit Schattenwachstum, Fortgeschrittene Werkstoffe (2022). DOI: 10.1002/adma.202107917
Juhwan Kim et al., Plasmonische Nanorotamere mit programmierbarer polarisationsaufgelöster Färbung, Fortschrittliche optische Materialien (2023). DOI: 10.1002/adom.202301730