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Unerwartete Eigenschaften von Nanostrukturen   >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

Zusätzliche Löcher versperren die Sicht

Metalle reflektieren Licht fast vollständig, daher sind sie undurchsichtig und können als Spiegel verwendet werden. Macht man die Metallschicht sehr dünn, werden die Spiegel halbdurchlässig. Man könnte vermuten, dass Löcher in einer dünnen Metallschicht die Durchsicht verbessern würden. Wissenschaftler des 1.Physikalischen Instituts der Uni wiesen jedoch das Gegenteil nach: Viele winzige Löcher können das Metall sogar undurchsichtig machen.

Normalerweise können Materialien nicht durchsichtig und elektrisch leitend sein. Die Physiker um Prof. Martin Dressel und Dr. Bruno Gompf vom 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart versuchten jedoch, einen dünnen Metallfilm so mit winzigen Löchern zu perforieren, dass er dennoch weiterhin Strom leitet und das Licht ungehindert durchlässt. Ihre Überraschung war groß, als sie genau den umgekehrten Effekt fanden. Perforiert man einen halbdurchlässigen Metallfilm mit einer periodischen Anordnung von winzigen Löchern, geht nicht mehr, sondern deutlich weniger Licht hindurch als zuvor. Die zusätzlichen Löcher versperren die Sicht.

Goldpartikel Im konkreten Fall untersuchten die Stuttgarter Physiker die Transmission durch einen etwa 20 Nanometer (nm) dicken Goldfilm. Die Filme wurden mit 200 nm großen Löchern perforiert, die einen regelmäßigen Abstand von 300 nm hatten. Solche Schichten lassen sich heute mit üblichen lithographischen Verfahren großflächig herstellen. Die durchlöcherten Filme zeigen im sichtbaren und nahen infraroten Bereich Frequenzen, bei denen das Licht stark absorbiert wird. Diese zusätzliche Absorption ist eine direkte Konsequenz des periodischen Lochmusters und hängt in erster Näherung nur vom Abstand, nicht aber von der Größe der Löcher ab. Die Periodizität erlaubt kollektive Anregungen der Metallelektronen, der so genannten Plasmonen. Eine Besonderheit dieser Plasmonen ist, dass ihre Anregung stark vom Einfallswinkel des Lichts abhängt. Dreht man den Film ein wenig, ändert sich die Farbe der Plasmonen. Genau das wurde auch im Experiment beobachtet. Macht man die Metallfilme noch dünner, bilden die Schichten keinen geschlossenen Film mehr, sondern winzige Inseln. Die optischen Eigenschaften dieser ultra-dünnen Metallfilme unterscheiden sich drastisch von den Volumeneigenschaften. Während ein Metallspiegel alles Licht reflektiert, kann man mit diesen Schichten die Reflexion vollkommen unterdrücken. Mögliche Anwendungen sind beispielsweise Antireflexschichten für intelligente Optiken oder für Solarzellen.
Goldpartikel auf einer Glasplatte nahe der so genannten Perkolationsschwelle, also jener Grenze, an der sich aus zufallsbesetzten Strukturen zusammenhängende Gebiete herausbilden. (Abbildung: Institut)

Die so genannten dielektrischen Eigenschaften werden durch einen enorm großen Brechungsindex charakterisiert, kurz bevor sich ein kontinuierlicher Metallfilm ausbildet. Dies erlaubt, Strukturen mit gezielt einstellbaren optischen Eigenschaften zu produzieren, wie sie beispielsweise bei der zukünftigen Realisierung photonisch integrierter Schaltkreise Anwendung finden könnten. Über die Untersuchungen der Forschergruppe berichteten renommierte Fachzeitschriften*). zi/amg

 

KONTAKT
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Prof. Martin Dressel
1. Physikalisches Institut
Tel. 0711/685-64947
e-mail: dressel@pi1.physik.uni-stuttgart.de

*) Julia Braun, Bruno Gompf, Georg Kobiela, Martin Dressel: „How holes can obscure the view: Suppressed transmission through an ultrathin metal film by a subwavelength hole array." Physical Review Letters, 103, 203901 (2009), sowie Martin Hövel, Bruno Gompf und Martin Dressel: „Dielectric properties of ultrathin metal films around the percolation threshold", Physical Review B, 81, 035402 (2010).