Schwerpunkte

Nanolaser aus Gold und Zinkoxid

Neues Nanomaterial verstärkt Lichtemissionen

23. März 2020, 15:40 Uhr   |  Nicole Wörner

Neues Nanomaterial verstärkt Lichtemissionen
© Universität Oldenburg

Die Oldenburger Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nano-Optik“ untersucht Vorgänge in der Nanowelt mit Hilfe von Lasern, die extrem kurze Lichtblitze aussenden.

Winzige, aus Metallen und Halbleitern zusammengesetzte Partikel könnten in Bauteilen zukünftiger optischer Computer als Lichtquelle dienen, weil sie einfallendes Laserlicht extrem konzentrieren und verstärken. Mögliche Einsatzbeispiele wären etwa ultraschnelle optische Schalter oder Transistoren.

Wie dieser Prozess funktioniert, hat ein Forscherteam um die Oldenburger Physiker Prof. Dr. Christoph Lienau und Dr. Jin-Hui Zhong nun erstmals aufgeklärt. Sie stellten für ihre Studie Nano-Materialien her, die die optischen Eigenschaften von Metallen und Halbleitern kombinieren.

Den Ausgangspunkt der Untersuchung…

...bildeten schwammartige Teilchen aus Gold mit einem Durchmesser von einigen Nanometern und Poren mit einer Größe von rund zehn Nanometern. Materialwissenschaftler von der Technischen Universität Ilmenau stellten diese Metallschwämme her und entwickelten ein Verfahren, um sie mit einer dünnen Schicht aus dem Halbleiter Zinkoxid zu überziehen. Das Material dringt dabei auch in die winzigen Poren ein.

Die so hergestellten Teilchen…

...sind in der Lage, die Farbe von einfallendem Licht zu verändern. Bestrahlt man sie etwa mit dem Licht eines roten Lasers, geben sie kurzwelligeres, blaues Laserlicht ab. Die abgestrahlte Farbe hängt dabei von den Eigenschaften des Materials ab.

»Solche so genannten nichtlinearen optischen Nanomaterialien herzustellen ist eine der großen Herausforderungen der derzeitigen Optik-Forschung«, berichtet Lienau. In zukünftigen optischen Computern, die mit Licht statt mit Elektronen rechnen, könnten derartige Nanopartikel als winzige Lichtquellen dienen.

»Man könnte solche Partikel auch als Nanolaser bezeichnen«, ergänzt Zhong. Mögliche Einsatzorte wären beispielsweise ultraschnelle optische Schalter oder Transistoren.

Um aufzuklären, wie die Nanomaterialien…

...Licht einer Farbe in eine andere umwandeln, nutzten die Forscher ein besonderes mikroskopisches Verfahren, die ultraschnelle Photoemissions-Elektronenmikroskopie.

Mit Hilfe von extrem kurzen Lichtblitzen konnten sie nachweisen, dass Licht tatsächlich effizient in den Nanoporen konzentriert wird – eine wichtige Voraussetzung für zukünftige Anwendungen. 

Wie das Team berichtet, bieten aus Metallen und Halbleitern zusammengesetzte Nanopartikel wahrscheinlich neue Möglichkeiten, um die Eigenschaften des abgestrahlten Lichtes nach Wunsch zu justieren.

»Unsere Studie liefert grundlegende neue Einblicke dazu,…

...wie hybride Metall-Halbleiter-Nanostrukturen Licht verstärken«, sagt Zhong. Darüber hinaus könnten die Beobachtungen dazu beitragen, Materialien mit noch besseren optischen Eigenschaften zu entwickeln.

Die Oldenburger Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nano-Optik“ um Prof. Dr. Christoph Lienau ist darauf spezialisiert, Vorgänge in der Nanowelt mit besonders hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Dabei gelangen den Physikern schon mehrfach entscheidende Durchbrüche. Erst kürzlich entwickelten sie eine Art Superlinse aus Gold mit zuvor unerreichter optischer Auflösung.

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