Seit etwa 20 Jahren ist es möglich, Oberflächen so mit Nanopartikeln zu versehen, dass sie auf eine gewünschte Weise Licht konzentrieren, manipulieren oder eine Reaktion auslösen. Zu finden sind solche optisch aktiven Nanostrukturen etwa in Solarzellen und biologischen oder chemischen Sensoren. Um deren Einsatzbereich zu erweitern, arbeiten Forschende am Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz und am Zentrum für Elektronenmikroskopie (ZFE) seit über zehn Jahren daran, nicht nur flache Nanostrukturen, sondern auch komplexe, freistehende 3D-Architekturen herzustellen. Dem Team um Harald Plank, Verena Reisecker und David Kuhness sind nun zwei Durchbrüche gelungen. So können sie die gewünschten optischen Eigenschaften sowie die dazu nötige Form und Größe der Nanostrukturen vorab exakt simulieren und diese auf Basis der Simulation präzise herstellen. Außerdem sind sie in der Lage, chemische Verunreinigungen zu beseitigen, die bei der Herstellung entstehen, ohne dabei die 3D-Nanoarchitekturen zu beeinträchtigen.

Trial-and-Error-Verfahren wird überflüssig

Bislang war bei dreidimensionalen Nanostrukturen ein langwieriges Trial-and-Error-Verfahren nötig, bis das Produkt die gewünschten optischen Eigenschaften hatte. Dieser Aufwand fällt nun endlich weg. „Die Übereinstimmung unserer Simulationen mit den realen plasmonischen Resonanzen unterschiedlichster Nanoarchitekturen ist sehr hoch“, erläutert Harald Plank. „Das bedeutet einen Riesenschritt nach vorn. Die harte Arbeit der letzten Jahre hat sich bezahlt gemacht.“ Die Technologie ist gegenwärtig die weltweit einzige, durch die komplexe 3-dimensionale Strukturen mit Form-Elementen kleiner als 10 Nanometer direkt und kontrolliert auf nahezu jeder Oberfläche hergestellt werden können. Zum Vergleich: Die kleinsten Viren sind 20 Nanometer groß. „Die größte Herausforderung der letzten Jahre war die Überführung der 3D-Architekturen in hochreine Materialien, ohne die Morphologie zu zerstören“, beschreibt Harald Plank. „Dieser Entwicklungssprung ermöglicht durch den 3D-Aspekt neue optische Effekte und Anwendungskonzepte.“ Sonden oder optische Pinzetten mit Größen im Nanometerbereich rücken dadurch in greifbare Nähe.

Präzise gesteuerter Elektronenstrahl

Zur Herstellung der Nanostrukturen nutzen die Forschenden die fokussierte Elektronenstrahlabscheidung (Focused Electron Beam Induced Deposition). Dabei wird die relevante Oberfläche unter Vakuumbedingungen mit speziellen Gasen belegt. Ein fein fokussierter Elektronenstrahl spaltet die Gasmoleküle, woraufhin Teile dieser in einen festen Zustand übergehen und an gewünschter Stelle haften bleiben. „Durch präzise Steuerung von Strahlverschiebung und Belichtungszeit gelingt es uns in einem einzigen Schritt, komplexe Nanostrukturen mit gitter- oder flächenartigen Strukturelementen herzustellen“, erläutert Harald Plank. Durch Aufeinanderschichten dieser Nanovolumen lassen sich daraus schließlich dreidimensionale Strukturen konstruieren.

Diese Forschung ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten der TU Graz.