Ultraglatte Flächen für Tarnkappen, effiziente Solarzellen und schnelle Lichtchips

Neue Methode ebnet den Weg zu einer günstigen Massenproduktion von dünnen Metallfilmen, auf denen sich Plasmonen fast perfekt bewegen können

Nanopyramide
Nanopyramide

Minneapolis (USA) - Wie in Wellen können Elektronen auf einer Metalloberfläche schwingen und sich ausbreiten. Diese so genannten Plasmonen reagieren empfindlich auf einfallendes Licht und bilden die Grundlage für zahlreiche, optische Innovationen von effizienteren Solarzellen, extrem schnellen Lichtchips oder gar Tarnkappenmaterialien. Konnten Physiker solche Plasmonen-Leiter in den Laboren bisher nur als aufwändig gefertigte Einzelstücke herstellen, fanden amerikanische Forscher nun einen eleganten Weg zur Serienproduktion von ultraglatten und zugleich nanostrukturierten Metallfilmen. Ihre Methode, die sie erfolgreich an Gold, Silber und Kupfer erprobten, präsentieren sie in der Zeitschrift "Science".

"Obwohl schon viele nützliche Effekte mit Plasmonen gezeigt werden konnten, stellt die günstige Serienproduktion von geeigneten Substraten ein Problem dar", sagt David Norris von der University of Minnesota in Minneapolis. Zusammen mit seinen Kollegen gelang es Norris nun, genau dieses Problem zu lösen. Die Forscher fertigten mit beschleunigten Ionen und Ätzprozessen eine Art nanostrukturierte Druckplatte aus Silizium. Auf dieser deponierten sie Milliardstel Meter dünne Metallschichten aus Gold, Silber oder Kupfer. Mit einer weiteren Schicht aus Epoxidharz konnten sie die dünnen Metallfilme dann zerstörungsfrei von der Silizium-Druckplatte abziehen.

Ihre hohe Qualität belegten diese metallischen Folien in ersten Laborversuchen. Durch einfallendes Licht angeregte Wellen aus schwingenden Elektronen, die Plasmonen, konnten sich entlang der Folien doppelt so gut ausbreiten wie in früheren Experimenten. Mit eingeprägten Nanopyramiden, konzentrischen Kreisen oder schlichten Nanowällen lässt sich die Ausbreitung der Plasmonen prinzipiell kontrollieren. Verantwortlich für die erstaunlich lange Lebensdauer der Plasmonen ist die extrem glatte Oberfläche der Metallfolien.

Da sich mit einer Druckplatte aus Silizium bis zu 30 identische und exakt strukturierte Metallfolien fertigen lassen, könnte diese Methode zu einer günstigen Serienproduktion von Plasmonen-Leitern führen. Sie haben das Potenzial, die Stromausbeute von Solarzellen zu erhöhen, günstige Metamaterialien für optische Tarnkappen zu ermöglichen oder als Basismaterial für extrem schnelle Lichtchips zu dienen.