Al zo’n twintig jaar is het mogelijk om oppervlakken via nanodeeltjes zo te modificeren dat ze licht op een gewenste manier concentreren of manipuleren of andere reacties uitlokken. Dergelijke optisch actieve nanostructuren vind je bijvoorbeeld in zonnecellen en biologische of chemische sensoren.

Om het scala aan toepassingen voor deze nanostructuren uit te breiden, hebben onderzoekers van het Instituut voor Elektronenmicroscopie en Nanoanalyse (Technische Universiteit van Graz) en het Graz Centrum voor Elektronenmicroscopie (ZFE) al meer dan tien jaar gewerkt aan de productie van niet alleen platte nanostructuren, maar vooral complexe, vrijstaande 3D-architecturen.

Het team onder leiding van Harald Plank, Verena Reisecker en David Kuhness heeft twee doorbraken bereikt. Het is nu mogelijk om de benodigde vormen en afmetingen van nanostructuren vooraf nauwkeurig te simuleren om de gewenste optische eigenschappen te verkrijgen, die vervolgens nauwkeurig kunnen worden geproduceerd. Het team is er ook in geslaagd om de chemische onzuiverheden die tijdens de eerste productie zijn opgenomen, volledig te verwijderen zonder de 3D-nanoarchitecturen negatief te beïnvloeden.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials .

Procedure van vallen en opstaan ​​wordt overbodig

Tot nu toe vereisten 3D-nanostructuren een tijdrovend proces van vallen en opstaan ​​totdat het product de gewenste optische eigenschappen vertoonde. Deze moeilijkheid is eindelijk geëlimineerd. "De consistentie tussen simulaties en echte plasmonische resonanties van een breed scala aan nanoarchitecturen is erg hoog", legt Plank uit. "Dit is een enorme stap voorwaarts. Het harde werk van de afgelopen jaren heeft eindelijk zijn vruchten afgeworpen."

De technologie is momenteel de enige ter wereld die kan worden gebruikt om complexe driedimensionale structuren met individuele kenmerken kleiner dan 10 nanometer te produceren in een gecontroleerde procedure in één stap op vrijwel elk oppervlak. Ter vergelijking:de kleinste virussen zijn ongeveer 20 nanometer groot.

"De grootste uitdaging van de afgelopen jaren was om de 3D-architecturen om te zetten in zeer zuivere materialen zonder de morfologie te vernietigen", legt Plank uit. "Deze ontwikkelingssprong maakt nieuwe optische effecten en toepassingsconcepten mogelijk dankzij het 3D-aspect." Nanosondes of optische pincetten met afmetingen in het nanometerbereik zijn nu binnen handbereik.

Nauwkeurig gecontroleerde elektronenstraal

De onderzoekers gebruiken gerichte elektronenbundel-geïnduceerde depositie om de nanostructuren te produceren. Het betreffende oppervlak wordt onder vacuümomstandigheden blootgesteld aan speciale gassen. Een fijn gefocusseerde elektronenbundel splitst de gasmoleculen, waarna delen ervan in een vaste toestand veranderen en zich op de gewenste locatie hechten.

"Door de bundelbewegingen en belichtingstijden nauwkeurig te controleren, zijn we in staat om in één stap complexe nanostructuren met rooster- of plaatachtige bouwstenen te produceren", legt Plank uit. Door deze nanovolumes op elkaar te stapelen kunnen uiteindelijk driedimensionale structuren worden geconstrueerd.

Meer informatie: Verena Reisecker et al, Spectrale afstemming van plasmonische activiteit in 3D-nanostructuren via uiterst nauwkeurige nanoprinting, Geavanceerde functionele materialen (2023). DOI:10.1002/adfm.202310110

Journaalinformatie: Geavanceerde functionele materialen

Aangeboden door de Technische Universiteit van Graz