Ultratunt lager av sfäriska hydrogelkärnor med guldpartiklar överförda till ett glassubstrat. Kredit:HHU / Christoph Kawan
Forskare under ledning av prof. Dr. Matthias Karg vid Institutet för fysikalisk kemi rapporterar en enkel teknik för att utveckla högordnade partikellager. Gruppen arbetade med små, deformerbara sfäriska polymerpärlor med en hydrogelliknande struktur. Hydrogeler är vattensvällda, tredimensionella nätverk. Sådana strukturer används som superabsorberande medel i produkter som blöjor för spädbarn på grund av deras förmåga att suga upp stora mängder vätskor.
Inom dessa hydrogelpärlor finns små guld- eller silverpartiklar bara några nanometer stora, som Kargs team syntetiserar på HHU med hjälp av metallsalter i en reduktionsprocess. "Vi kan justera storleken på guldpartiklarna mycket exakt eftersom hydrogelskalen är permeabla för lösta metallsalter, möjliggör successiv överväxt av guldkärnorna." Strukturen hos dessa kärn-skal-partiklar kan grovt jämföras med den hos ett körsbär, där en hård kärna är omgiven av mjuk massa.
De Düsseldorf-baserade forskarna använde en utspädd lösning av dessa hydrogelpärlor för att producera tunna monolager. De applicerade pärlorna på en vattenyta, där ett skimrande, högbeställt lager självmonterat. Forskarna överförde detta lager från vattenytan till glassubstrat; denna överföring gör att glassubstratet skimrar.
Att titta på ett sådant lager med ett elektronmikroskop avslöjar en vanlig, hexagonalt ordnad partikeluppsättning. "Detta är guldpartiklarna i deras skal, " förklarar doktoranden Kirsten Volk, "och vi ser att de är ordnade i en singel, högordnat lager." Guldpartiklarna bestämmer färgen på lagret genom att reflektera synligt ljus med vissa våglängder, som stör och därmed skapar intrycket av en skiftande färg när den ses från olika vinklar.
Att producera lagerstrukturen, (från vänster):Först appliceras försiktigt en lösning innehållande de sfäriska hydrogelkärnorna med guldpartiklarna på en vattenyta. Detta bildar snabbt en ultratunn, skimrande lager som sedan kan lyftas bort med ett glasunderlag. Kredit:HHU / Christoph Kawan
"Dessa tunna lager är mycket intressanta för optoelektronik, dvs. överföring och bearbetning av data med hjälp av ljus. Det kan också vara möjligt att använda dem för att bygga miniatyriserade lasrar, " säger prof. Karg. Dessa nanolasrar är bara nanometer stora, utgör således en nyckelteknologi inom området nanofotonik.
I deras studie publicerad i ACS tillämpade material och gränssnitt , de Düsseldorf-baserade forskarna har övervunnit ett stort hinder på vägen till sådana nanolasrar. De skapade kollektiva resonanser i guldpartiklarna genom infallande ljus. Detta innebär att guldpartiklarna inte exciteras individuellt; istället, alla exciterade partiklar är i resonans. Denna kollektiva resonans är grundförutsättningen för att bygga lasrar. Partikelskikten är också mycket tunna.
För optoelektroniska applikationer och nanolaser, resonanslägena måste förstärkas ytterligare i de tunna lagren. Prof. Karg säger, "Nästa, vi ska försöka förstärka resonansen ytterligare med hjälp av dopning med sändare. I längden, detta kan också tillåta oss att realisera elektriskt drivna nanolasrar."
