EN
Logo Leibniz IPHT
EN
Logo Leibniz IPHT

Sphärische Metall-Nanopartikel durch gepulste UV-Laserbestrahlung von dünnen Schichten

Die Verwendung von gepulsten Excimer-Lasern (248 nm) erlaubt eine maßgeschneiderte, schnelle Herstellung von Nanopartikeln, auch als Mehrkomponentensysteme. Nanopartikel aus Gold, Silber oder  Palladium sind dabei für die Plasmonik oder Katalyse von besonderem Interesse. Mit angepassten Bestrahlungsparametern lassen sich Nanopartikel im Größenbereich von einigen zehn nm bis einigen µm generieren.

(A) Schematische Darstellung des Laser-induzierten Prozesses; (B) Partikelgrößenverteilungen von Pd ⁄ Au-Mischpartikeln (200 mJ ⁄ cm2, 1-10 Laserpulse); (C) Extinktionsspektren von Goldpartikeln.

Von G. Schmidl // G. Jia // J. Dellet // A. Gawlik // Z.-H. Lin // Y.-J- Chen // J.-S. Huang // J. Plentz

Nanopartikel bzw. nanostrukturierte Oberflächen spielen in den verschiedensten Technologiebereichen wie der Spektroskopie, dem Photonenmanagement, der Biophotonik oder Biomedizin eine immer größer werdende Rolle. Die Nutzung in der Oberflächen-Verstärkten-Raman-Spektroskopie (SERS), in der optischen Informations-Speicherung, als Metall-Nano-Resonatoren oder für eine höhere Ausbeute von Solarenergie erfordert sowohl spezielle Nanopartikel-Eigenschaften als auch Herstellungsmethoden, die eine schnelle, kosteneffiziente, großflächige oder auch ortsaufgelöste Präparation von Nanopartikeln erlaubt.

Mit der oft genutzten Bottom-up Technologie, der chemischen Synthese von Nanopartikeln, ist man in der Zusammensetzung der Materialien oft limitiert. Mehrkomponentenpartikel oder sogar Legierungen sind dabei nicht herstellbar. Komplexe Syntheseschritte, die auch eine Ummantelung der Partikel zur Stabilisierung beinhaltet, machen eine Nutzung für die Bioanalyse erst nach erfolgreicher Entfernung der Hülle nutzbar. Die Top-down Verfahren sind im Gegensatz dazu, auf Grund der Nutzung von Reinraumverfahren, sehr kostenaufwendig. Es können aber definierte Strukturen, in Größe und Form, an speziellen Positionen präpariert werden, die keine chemische Hülle zur Stabilisierung benötigen.

Mit der Entwicklung der Laser-gestützten-Nanopartikel-Herstellung ist ein Weg beschritten worden, der unter normalen Raumbedingungen die Herstellung von Nanopartikeln, ausgehend von einer metallischen dünnen Schicht, mit hohem Durchsatz und ohne chemische Hülle erlaubt. Zudem kann die Partikelgröße über die Laserparameter und die Ausgangsschichtdicke gezielt gesteuert werden.

Der in den Experimenten verwendete KrF-Excimer Laser (λ=248nm) emittiert ns-Pulse im UV-Bereich mit hoher Energie und ist somit ideal geeignet, um dünne Metallschichten aufzuschmelzen. Auf Grund seiner Pulslänge im ns-Bereich induziert der Laser im Gegensatz zu einer Ofentemperung schnelle thermische Effekte vom Aufheizen, zum Schmelzen bis zur Ablation entsprechend der Laserenergie. Diese schnellen Prozesse wirken sich günstig auf die Verwendung von kostengünstigen Glassubstraten aus, da solche Substrate einen Erweichungspunkt von ca. 600°C besitzen und für höhere Temperaturen über längere Zeitskalen somit nicht einsetzbar sind.

Diesem zeitlich kurzen Schmelzprozess ist ein rasanter Abkühlprozess angeschlossen. Diese schnelle Verfestigungsphase nach dem Aufschmelzen kann eine Phasenseparation z.B. bei der Verwendung von Multi-Metallschichten unterdrücken. Somit ist mit dem Laser-induzierten Herstellungsverfahren von Nanopartikeln die Erzeugung von Mehrkomponenten- oder Legierungspartikeln möglich. Erste Ergebnisse konnten für das System Palladium-Gold gezeigt werden. Auf die angesprochene Prozesskinetik kann über die Laserparameter wie Energiedichte, Pulszahl aber auch über das Substratmaterial oder die Schichtparameter Einfluss genommen werden.

Erste Experimente zeigten, dass man für das bi-layer-System Pd/Au und optimalen Laserparametern auf einem kostengünstigen Borofloatglas runde homogen verteilte Nanopartikel mit einer bi-modalen Partikelgrößenverteilung erzeugen kann (Abbildung (A), (B)).

Die Extinktionsspektren der Laser-induziert hergestellten Nanopartikel zeigen deutlich eine resonante Anregung von Plasmonen, wobei die Halbwertsbreite und das Resonanzmaximum durch die Laserparameter beeinflusst werden (Abbildung (C)). Dieses Verhalten spricht für eine einstellbare Partikelgröße und Größenverteilung der Partikel.

Mit dieser Methode der Laser-induzierten Nanopartikel-Herstellung können nicht nur großflächig unterschiedliche Substrate mit Nanopartikeln belegt werden, sondern man kann auch mit einem automatisierten Prozess den Selbstorganisationsprozess positionsgebunden starten. Somit  ist es möglich Strukturen zu schreiben bzw. mit einer im Vorfeld strukturierten Schicht die Nanopartikel an bestimmten Orten zu platzieren. Die maßgeschneiderten, plasmonisch aktiven Nanopartikel eröffnen Möglichkeiten im Bereich der Spektroskopie, Analytik und Katalyse.

Zugehörige Publikationen

Scientific Reports (2018) 8:11283, DOI:10.1038/s41598-018-29661-7

Logo Leibniz-Gemeinschaft