Laserpulse erzeugen Nano-Antennen

(Nanowerk News) Wenn man fest mit einem zentimetergroßen Hammer auf eine Metallplatte schlĂ€gt, kann man nicht erwarten, dass man dadurch millimeterfeine Kunstgravuren hinterlĂ€sst. Ein vergleichbares KunststĂŒck gelingt allerdings an der TU Wien mit Hilfe von Laserpulsen: Beschießt man MetalloberflĂ€chen auf die richtige Weise mit Laserlicht, entstehen feine Antennenstrukturen, die um GrĂ¶ĂŸenordnungen kleiner sind als der Durchmesser des Laserpulses. Diese Nano-Antennen eigenen sich hervorragend zum Aussenden von Elektronen ("Femtosecond laser pulse compression using angle of incidence optimization of chirped mirrors").
Nanoantenne
Die Nanoantenne nach dem Laserbeschuss. (Bild: TU Wien)
Spitze Strukturen fördern den photoelektrischen Effekt
Wenn Licht auf eine MetalloberflĂ€che auftrifft, können Elektronen herausgelöst werden. Dieser „photoelektrische Effekt“ ist schon lange bekannt. Doch nicht ĂŒberall fĂ€llt es den Elektronen gleichermaßen leicht, die OberflĂ€che zu verlassen: Weist sie feine, spitze Strukturen auf, lösen sich deutlich mehr Elektronen heraus als das bei einer völlig glatten OberflĂ€che möglich wĂ€re. Genau in den Spitzen tritt nĂ€mlich ein besonders starkes elektrisches Feld auf. Dieser Effekt Ă€hnelt der Tendenz eines Blitzes, in hohen, spitzen metallischen Masten einzuschlagen.
Besonders stark ist dieser Effekt, wenn die Spitze auch noch einer Mulde sitzt, die einfallende Wellen zur Spitze hin fokussiert. Die Herstellung solcher Strukturen gelang nun Prof. Wolfgang Husinsky vom Institut fĂŒr Angewandte Physik der TU Wien in Zusammenarbeit mit fĂŒhrenden Fachkollegen aus Russland (Sergey Makarov,Sergey Kudryashov, Lebedev Physics Institute Russian Academy of Sciences).
„Je nachdem, welche Laserparameter man wĂ€hlt, können Laserpulse zu Nanostrukturen verschiedenster Art fĂŒhren“, sagt Wolfgang Husinsky. Ausschlaggebend sind die Laserleistung, die Pulszeit, die genaue Form des Laserpulses sowie die Anzahl der Pulse, die man auf die OberflĂ€che abfeuert. Am Institut fĂŒr Angewandte Physik der TU Wien wird schon lange an extrem kurzen Laserpulsen geforscht: Weniger als 10 Femtosekunden (10^(-15) Sekunden) dauern die kĂŒrzesten Lichtblitze in Wolfgang Husinskys Labor.
Erst ein Krater, dann eine Antenne
Der Erfolg stellte sich mit einer Kombination aus zwei Laserpulsen ein: Der erste hinterlĂ€sst kreisrunde Krater mit einem Durchmesser von etwa 1.3 Mikrometern. Schuld daran sind Plasmonen und Polaritonen – Anregungen der Elektronen im Metall und Kopplungen von elektrischen Feldern mit Atomschwingungen. Der Bereich, der vom Laserpuls beleuchtet wird, ist viel grĂ¶ĂŸer als diese Krater, so kann also ein einziger Laserpuls eine Vielzahl an Kratern erzeugen.
Wenn man dann dieselbe Stelle noch einmal mit einem weiteren Laserpuls beschießt, dann bildet sich bei geeigneten Laserparametern in den Kratern eine Spitze aus. Das elektrische Feld des Lasers wird durch die Form des Kraters lokal verĂ€ndert, und dieses starke Feld wird durch die nadelförmige Antenne, die bloß einige Dutzend Nanometer dick ist, weiter verstĂ€rkt Diese Nanoantennen im Mikro-Krater sind perfekt fĂŒr die Elektronenemission. Wenn Licht auf diese Nanostrukturen fĂ€llt, wird es vom Krater auf die Spitze fokussiert, Ă€hnlich wie ein Parabolschirm die Wellen eines Satelliten auf die Fernsehantenne lenkt. So ist eine fĂŒnfzigmal höhere Elektronenemission möglich als bei einer völlig ebenen und glatten MetalloberflĂ€che.
Vom Aluminium bis zum Protein
„Die Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen ist ein boomendes Forschungsgebiet, das bei vielen verschiedene Materialien tolle Anwendungsmöglichkeiten verspricht“, ist Wolfgang Husinsky ĂŒberzeugt. Im Rahmen des von der österreichischen Forschungsgesellschaft FFG geförderten Projektes gemeinsam mit einem Partnerunternehmen, der Femtolasers Produktions-GmbH, untersucht er mit seinem Team Strukturierungsmöglichkeiten von Metallen bis hin zu organischen Materialien wie Kollagen, dem Hauptbestandteil unserer Knochen.
Die Strukturen, die mit Laserpulsen auf OberflĂ€chen erzeugt werden, sind meist winzig, doch verhĂ€ltnismĂ€ĂŸig große FlĂ€chen können in einem einzigen Schritt bearbeitet werden. In bestimmten FĂ€llen lassen sich zentimetergroße periodische Strukturen erzeugen. Das ist allerdings nur möglich, wenn man die mikroskopischen AblĂ€ufe auf der FestkörperoberflĂ€che genau versteht: „Wenn wir eine Folge von mehreren Laserpulsen auf die OberflĂ€che abfeuern, dann gibt es eine riesengroße Anzahl an Parametern, die man einstellen kann“, sagt Wolfgang Husinsky. „Die Zahl der Pulse, die IntensitĂ€t, die Dauer jedes einzelnen Pulses – es ist völlig undenkbar, jede mögliche Parameter-Kombination durchzuprobieren, um das optimale Resultat zu erhalten.“
Man wird also auch weiterhin gut durchdachte Grundlagenexperimente und Simulationsrechnungen benötigen, um Àhnliche Erfolge erzielen können wie mit den Nanoantennen.
Source: Technische UniversitÀt Wien
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