Wiener Physiker erzeugen Nanoantennen mit ultrakurzen Laserpulsen

2. Juni 2014, 16:17
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Forschern gelang es, den photoelektrischen Effekt einer Aluminium-Oberfläche deutlich zu erhöhen

Mit zwei extrem kurzen Laserpulsen gelang es Forschern der Technischen Universität (TU) Wien, auf einer vormals flachen Aluminium-Oberfläche kleine Krater entstehen zu lassen, in deren Mitte wiederum feine Antennenstrukturen stehen. Das führt dazu, dass sich bei Bestrahlung mit Licht sehr leicht Elektronen von dem Material lösen, berichten die Wissenschafter im Fachjournal "Laser Physics Letters".

Von der Behandlung von Oberflächen mit Laserlicht, das nur für Femtosekunden strahlt, versprechen sich Wissenschafter einiges. Die Möglichkeiten, Materialen auf diese Weise zu verändern, seien vielfaltig, erklärte Wolfgang Husinsky vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. "Die Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen ist ein boomendes Forschungsgebiet, das bei vielen verschiedene Materialien tolle Anwendungsmöglichkeiten verspricht."

Wie sich der Beschuss aber auswirkt, hängt mit der Stärke und Dauer des Laserpulses zusammen. "Das Problem bei der Laserbearbeitung ist auch, dass man mit jedem Schuss die Oberfläche verändert. Beim nächsten Schuss kann das Material schon ganz ein anderes sein und ganz andere Eigenschaften haben," so Husinsky. Solch komplexe Prozesse verstehe man bisher erst im Ansatz.

Photoelektrischer Effekt

Husinsky und seine Kollegen von der Russischen Akademie der Wissenschaften haben es nun allerdings geschafft, eine spezielle Struktur gezielt zu erzeugen, die den photoelektrischen Effekt einer Aluminium-Oberfläche deutlich erhöht. Darunter versteht man das Phänomen, dass sich Elektronen von einer Metalloberfläche ablösen, wenn Licht darauf fällt. Besonders gut funktioniert das, wenn die Fläche nicht ganz glatt ist. Befinden sich dort spitze Strukturen, dann treten an deren Enden starke elektrische Felder auf und die Elektronen lösen sich leichter. Befindet sich diese Spitze noch dazu in einer Mulde, die derart gekrümmt ist, dass das einfallende Licht zur Spitze hin fokussiert wird, dann verstärkt das den Effekt zusätzlich.

Genau solche Muster konnten die Wissenschafter in das Material prägen. Dazu braucht es die Kombination zweier Laserpulse. Der erste bildet kreisrunde Krater mit einem Durchmesser von jeweils etwa 1,3 Mikrometern. Da der Bereich, den der Laserpuls beleuchtet, weit größer ist als die Krater, können mit nur einem Puls gleich mehrere Mulden erzeugt werden. Durch einen weiteren Puls bilden sich dann genau in der Mitte der Krater nadelförmige Antennen aus, die nur wenige Nanometer dünn sind.

Grundlagenforschung

Fällt dann Licht auf die Struktur wird es - wie bei einer Sat-TV-Schüssel, die das von einem Satelliten ausgesendete Signal auf die Antenne in der Mitte lenkt - auf die Spitzen fokussiert. So wird eine 50 Mal höhere Elektronenemission möglich, als bei einer völlig glatten Metalloberfläche.

"Die Anwendungen liegen wahrscheinlich erst in der Zukunft, weil man das noch nicht so genau im Griff hat", so Husinsky. "Das Entscheidende ist, dass man genau weiß, unter welchen Bedingungen man diese Struktur erzeugen kann." Dem Physiker geht es aber in erster Linie darum, ein fundamentales Verständnis für die Prozesse zu gewinnen. Derzeit handle es sich dabei noch um Grundlagenforschung. (APA/red, derStandard.at, 2.6.2014)

  • Ein durch einen Laserpuls entstandener halbsphärischer Krater mit einem Durchmesser von etwa 1,3 Mikrometern.
    foto: tu wien

    Ein durch einen Laserpuls entstandener halbsphärischer Krater mit einem Durchmesser von etwa 1,3 Mikrometern.

  • Durch einen zweiten Laserpuls entsteht in der Mitte eine Nanoantenne.
    foto: tu wien

    Durch einen zweiten Laserpuls entsteht in der Mitte eine Nanoantenne.

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