Leuchtende Zukunft: Winzige Laser aus Nano-Stäbchen

Winzige Stäbchen aus Zinkoxid können Laserlicht im UV-Bereich abstrahlen, berichten Karlsruher Forscher und wecken damit Aussichten auf künftige Laser in Miniaturgröße und neuartige Bildschirme.

Karlsruhe - Ihnen gelang erstmals die Herstellung großer, hochgeordneter Stäbchenfelder. Dabei strahlen nicht nur solche Gruppen Laserlicht ab, sondern sogar einzelne Stäbchen. Das Geheimnis liegt in der Form der Stäbchen in Nanometergröße (Milliardstel Meter) und die Schwierigkeit hatte bisher darin gelegen, aus Zinkoxid gleichförmige, geordnete Stäbchenfelder herzustellen. Das Material galt schon lange als geeignete Basis für Nanolaser, allerdings ist die exakte Stäbchenform und ihre Gleichförmigkeit essenziell für ihre Fähigkeit, Laserlicht abzustrahlen. Das Team berichtet im Fachblatt "Applied Physics Letters".

"Der Schlüssel für erfolgreiche Herstellung ist das einfach zu bedienende Formen der geordneten Nanopartikel-Felder sowie stabile Wachstumsbedingungen", erklärte Huijuan Zhou, Physikerin an der Universität Karlsruhe. Ihr Team setzte auf ein Dampfabscheideverfahren, in dem hochreines Zinkoxidpulver reduziert wird, um Zinkdampf zu erhalten. Über ein Trägergas wird es zu einem mit Gold als Katalysator bedeckten Galliumnitrid-Substrat geleitet. Dabei oxidiert der Zinkdampf zu Zinkoxid und wächst auf dem Gold wie Kristallsäulen zu winzigen, gleichförmigen Nanostäbchen mit identischer Ausrichtung.

Das Team erreichte Einkristalle mit 200 Nanometern Durchmesser und rund 4,7 Mikrometern Länge, mit einem Abstand untereinander von 500 Nanometern. Photolumineszenz-Spektra der Stäbchenfelder zeigten eine hohe Reinheit der Kristalle, was die Voraussetzungen für Anregbarkeit und Energieabstrahlung schafft. Die einheitliche Größe, Form und Ausrichtung sind die Voraussetzung für praktische Laseranwendungen, so Zhou. Zinkoxid ist ein Halbleiter, der durch die Eigenschaften seiner Energiebänder Laserlicht im ultravioletten Bereich abstrahlt.

In ersten Testläufen zeigten die Forscher auch, dass sich ihr Material bei Anregung wie ein Laser verhält. Sogar einzelne Nanostäbchen auf dem Substrat gaben Licht in multiplen UV-Lasermodi ab. Bevor aber einsatzbereite Laser daraus entstehen, sind weitere Verbesserungen von Material und Methode notwendig, so die Forscher. Eines Tages allerdings seien elektrisch betriebene Zinkoxid-Nanolaser als hocheffiziente Miniaturlichtquellen denkbar -- etwa für Mikroanalysen oder optische Datenspeicherung. In Kombination mit Leuchtstoffen wie Phosphor könnten sie auch die Grundlage für neuartige weiß leuchtende Bildschirme stellen.