Das umgedrehte Design erweitert die Fähigkeiten einer Superkamera mit breitem Spektrum

Indem sie einen traditionellen laborbasierten Herstellungsprozess auf den Kopf gestellt haben, haben Forscher der Duke University die Fähigkeiten der Lichtmanipulation von Metaoberflächen erheblich erweitert und sie gleichzeitig viel robuster gegen die Elemente gemacht.

Die Kombination könnte es diesen schnell ausgereiften Geräten ermöglichen, in einer Vielzahl praktischer Anwendungen eingesetzt zu werden, beispielsweise in Kameras, die Bilder in einem breiten Lichtspektrum mit einem einzigen Verschluss aufnehmen.

Die Ergebnisse erscheinen online am 1. Juli im Journal Nano-Buchstaben.

Plasmonik ist eine Technologie, die im Wesentlichen die Energie des Lichts in Gruppen von Elektronen einfängt, die gemeinsam auf einer Metalloberfläche schwingen. Dadurch entsteht ein kleines, aber starkes elektromagnetisches Feld, das mit einfallendem Licht interagiert.

Traditionell wurden diese Elektronengruppen – Plasmonen genannt – auf den Oberflächen von Metall-Nanowürfeln angeregt. Durch die Steuerung der Größe der Nanowürfel und ihres Abstands voneinander sowie der Metallbasis darunter kann das System so eingestellt werden, dass es bestimmte Lichtwellenlängen absorbiert.

Diese sogenannten plasmonischen Metaoberflächen bestehen aus drei Schichten – einer Metallbasis, die mit einem nanometerdünnen transparenten Substrat beschichtet ist, das mit silbernen Nanowürfeln bedeckt ist. Während diese Konfiguration für Labordemonstrationen gut funktioniert hat, lässt sie wenig Raum für Kreativität. Da ein Bereich des Nanopartikels nur wenige Nanometer von der darunter liegenden Metalloberfläche entfernt sein muss, konnten die Forscher keine große Vielfalt an Formen verwenden.

Um dieses Bedürfnis nach Ebenheit zu umgehen, beschlossen Maiken Mikkelsen, James N. und Elizabeth H. Barton Associate Professor of Electrical and Computer Engineering bei Duke, und ihr Team, zu versuchen, jedes Nanopartikel in seine eigene Vertiefung oder Vertiefung zu stecken. Dies würde die gesamten unteren Hälften der Nanopartikel mit Metall umgeben, sodass sowohl die Seiten als auch die Böden Plasmonen beherbergen könnten. Aufgrund der unglaublich engen Toleranzen ist dies jedoch leichter gesagt als getan.

„Wir müssen bestimmte Abmessungen mit einer Genauigkeit von einem Nanometer über die Oberfläche eines zentimetergroßen Wafers steuern“, sagte Mikkelsen. „Das ist wie der Versuch, die Dicke der Grashalme auf einem Fußballfeld zu kontrollieren.“

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Mikkelsen und ihr Labor den traditionellen Herstellungsprozess im Wesentlichen auf den Kopf gestellt. Anstatt mit einer Metalloberfläche zu beginnen und ein dünnes transparentes Substrat darauf zu legen, gefolgt von Nanowürfeln, beginnen sie mit den Nanowürfeln, die sie mit einer präzise dünnen Abstandsschicht bedecken, die der darunter liegenden Form folgt, und mit einer Metallbeschichtung abrunden. Es ist fast wie ein umgedrehter Ananaskuchen, bei dem die Nanowürfel die Ananas sind, die mit karamellisiertem Zucker bedeckt und zu einem dünnen Boden gebacken werden.

Da jetzt mehr als eine Oberfläche der Nanowürfel Plasmonen zwischen Lücken einfangen könnte, könnten Mikkelsen und ihre Kollegen in 3D mit neuen Nanopartikelformen experimentieren. In der Veröffentlichung probierte das Team feste Kugeln und Kuboktaeder – eine Form, die aus acht dreieckigen Flächen und sechs quadratischen Flächen besteht – sowie Metallkugeln mit einem Quarzkern aus.

„Die Synthese von Nanopartikeln kann schwierig sein und es gibt Einschränkungen für jede Form“, sagte Mikkelsen. „Indem wir fast alle Formen verwenden können, eröffnen wir wirklich viele neue Möglichkeiten, einschließlich der Erforschung einer Vielzahl von Metallen.“

Die Testergebnisse zeigten, dass die neue Herstellungsmethode nicht nur die Fähigkeiten früherer Methoden mit Silber-Nanowürfeln erreichen oder übertreffen kann, sondern auch den Frequenzbereich erweitern kann, der durch die Verwendung dieser unterschiedlichen Formen und Metalle nutzbar gemacht wird. Die Forschung ergab auch, dass sich diese Variationen dort ändern, wo die Nanopartikel Energie auf ihren Oberflächen einfangen. Kombiniert mit dem zusätzlichen Vorteil, das gesamte Gerät durch Umhüllen der Nanopartikel im Wesentlichen witterungsbeständig zu machen, könnte die neue Technik den Einsatz der Technologie möglicherweise auf das Antreiben chemischer Reaktionen oder thermischer Detektoren ausdehnen.

Mikkelsens erste Priorität ist jedoch die Anwendung der Herstellungstechnik auf ihr Projekt, um eine „Superkamera“ zu schaffen, die eine Vielzahl von Lichteigenschaften wie Polarisation, Tiefe, Phase, Kohärenz und Einfallswinkel erfassen und verarbeiten kann.

„Was hier wirklich wichtig ist, ist, dass große, makroskopische Bereiche sehr kostengünstig von den Metaoberflächen bedeckt werden können, da wir vollständig lithographiefreie Herstellungstechniken verwenden“, sagte Mikkelsen. „Dies bedeutet, dass die Metaoberflächen in andere bestehende Technologien integriert werden können und auch Inspiration für neue plasmonische Metaoberflächenanwendungen schaffen.“