I cirka 20 år har det varit möjligt att modifiera ytor via nanopartiklar så att de koncentrerar eller manipulerar ljus på önskat sätt eller utlöser andra reaktioner. Sådana optiskt aktiva nanostrukturer finns till exempel i solceller och biologiska eller kemiska sensorer.
För att utöka tillämpningsområdet för dessa nanostrukturer har forskare vid Institute of Electron Microscopy and Nanoanalysis (Graz University of Technology) och Graz Center of Electron Microscopy (ZFE) arbetat i mer än ett decennium med att tillverka inte bara platt nanostrukturer, men i synnerhet komplexa, fristående 3D-arkitekturer.
Teamet som leds av Harald Plank, Verena Reisecker och David Kuhness har uppnått två genombrott. Det är nu möjligt att exakt simulera de nödvändiga formerna och storlekarna på nanostrukturer i förväg för att uppnå önskade optiska egenskaper, som sedan kan produceras exakt. Teamet har också lyckats ta bort kemiska föroreningar som inkorporerats under den första produktionen utan att negativt påverka 3D-nanoarkitekturen.
Resultaten publiceras i tidskriften Advanced Functional Materials .
Hittills har 3D-nanostrukturer krävt en tidskrävande trial-and-error-process tills produkten avslöjade de önskade optiska egenskaperna. Denna svårighet har äntligen eliminerats. "Konsistensen mellan simuleringar och verkliga plasmoniska resonanser för ett brett spektrum av nanoarkitekturer är mycket hög", förklarar Plank. "Detta är ett stort steg framåt. De senaste årens hårda arbete har äntligen gett resultat."
Tekniken är för närvarande den enda i världen som kan användas för att producera komplexa 3-dimensionella strukturer med individuella egenskaper mindre än 10 nanometer i en kontrollerad, enstegsprocedur på nästan vilken yta som helst. Som jämförelse är de minsta virusen runt 20 nanometer stora.
"Den största utmaningen de senaste åren var att överföra 3D-arkitekturen till material med hög renhet utan att förstöra morfologin", förklarar Plank. "Det här utvecklingssprånget möjliggör nya optiska effekter och applikationskoncept tack vare 3D-aspekten." Nanosonder eller optisk pincett med storlekar inom nanometerområdet är nu inom räckhåll.
Forskarna använder fokuserad elektronstråleinducerad deposition för att producera nanostrukturerna. Den aktuella ytan utsätts för speciella gaser under vakuum. En finfokuserad elektronstråle delar gasmolekylerna, varpå delar av dem övergår i ett fast tillstånd och fäster på önskad plats.
"Genom att exakt kontrollera strålrörelser och exponeringstider kan vi producera komplexa nanostrukturer med galler- eller arkliknande byggstenar i ett enda steg", förklarar Plank. Genom att stapla dessa nanovolymer ovanpå varandra kan tredimensionella strukturer i slutändan konstrueras.
Mer information: Verena Reisecker et al, Spectral Tuning of Plasmonic Activity in 3D Nanostructures via High-Precision Nano-Printing, Avancerade funktionella material (2023). DOI:10.1002/adfm.202310110
Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial
Tillhandahålls av Graz University of Technology
