Dem Perlmutt-Effekt bei gedruckten Nanokugeln auf die Spur gekommen
In einer Titelgeschichte der Fachzeitschrift „Nano Select“ präsentiert ein interdisziplinäres Forschungsteam der TU Chemnitz unter Beteiligung des Fraunhofer ENAS neue Erkenntnisse zur Lichtstreuung an gedruckten kolloidalen Suprapartikeln
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Dipl.-Ing. (FH) Dirk Rittrich, technischer Mitarbeiter am Zentrum für Mikrotechnologien, betrachtet am Kreuzstrahl-Rasterelektronenmikroskop "Zeiss Auriga 60" Schnittbilder kugelförmiger Suprapartikel aus kolloidalen Nanopartikeln. Die Probenpräparation geschieht mit Hilfe eines fokussierten Strahls aus Gallium-Ionen. Das Wechselspiel zwischen Ionen- und Elektronenstrahl auf der Mikro- und Nanoebene erfordert viel Geduld, Präzision und Erfahrung. Foto: Jacob Müller -
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines drucktechnisch mittels Tintenstrahlverfahrens erzeugten kugelförmigen Suprapartikels aus kolloidalen Nanopartikeln. Die künstlerische Montage illustriert die lichtstreuende Wirkung eines Suprapartikels von etwa zehn Mikrometer Durchmesser bei Bestrahlung mit weißem Licht. Grafik/Montage: Dirk Rittrich (Rasterelektronenmikroskopie), Eduard Kuhn (Reflexionsdaten), Enrico Sowade (Montage) und Dobromir Hristov (pexels.com/CC 0)
Farben faszinieren die Menschen seit Anbeginn der Zivilisation und begegnen uns tagtäglich – von der Sonnenbrille bis zur Wandfarbe. In Forschung und Technologie spielen sie sowie das Licht, das sie ausmacht, eine wichtige Rolle. Zum Beispiel bei der Datenübertragung in Glasfaserkabeln. Auch die Quanteninformations-verarbeitung (sogenanntes „Quantum Computing“) arbeitet mit einzelnen Lichtteilchen – den Photonen. Für die Leistungsfähigkeit der optischen und photonischen Baugruppen und Systeme spielen das Verständnis und die Kontrolle des Lichtes innerhalb einer lokalen Struktur eine entscheidende Rolle.
Ein interdisziplinäres Forschungsvorhaben der Technischen Universität Chemnitz ist hier nun einen wesentlichen Schritt weitergekommen: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Professur Theoretische Physik: Simulation neuer Materialien (Leitung: Prof. Dr. Angela Thränhardt) am Institut für Physik, der Honorarprofessur Technologien der Nanoelektronik am Zentrum für Mikrotechnologien (Leitung: Prof. Dr. Stefan E. Schulz) der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik und des Forschungszentrums MAIN der TU Chemnitz sowie des Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS) haben im Wortsinne Licht in die optischen Eigenschaften gedruckter kugelförmiger Suprapartikel aus kolloidalen Nanopartikeln und deren Struktur-Eigenschafts-Beziehungen gebracht.
Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nano Select“ des Wissenschaftsverlags WILEY-VCH erschienen und waren das Titel-Thema auf dem Cover der Dezember-Ausgabe 2021.
Patentiertes Verfahren
Optoelektronische Wandler sind mit mikroskopischer Genauigkeit gefertigte Baugruppen, in denen Licht aufgenommen, geleitet und dann in elektronische Signale umgewandelt wird. Als Lichtwellenleiter werden häufig kompliziert geschichtete Materialsysteme aus Glas, Quarz oder Polymeren verwendet. Eine wichtige Voraussetzung für Anwendungen in der Praxis ist ihre gezielte strukturtreue Herstellung auf möglichst vielen unterschiedlichen Oberflächen.
Ein Forschungsteam der Professur Digitale Drucktechnologie und Bebilderungstechnik am Institut für Print- und Medientechnik der Fakultät Maschinenbau der TU Chemnitz unter der Leitung von Prof. Dr. Reinhard Baumann und des Fraunhofer ENAS hatte zunächst ein Verfahren entwickelt das es möglich macht, mittels modifiziertem Tintenstrahldruck kugelförmige (sphärische) und damit hochsymmetrische Strukturen aus ihrerseits kugelförmigen kolloidalen Nanopartikeln zu erzeugen. Der Durchmesser der abgeschiedenen Suprapartikel konnte im Größenbereich zwischen zwei und 20 Mikrometer variiert werden. Das Verfahren beruht auf verdunstungsinduzierter Selbstorganisation der Kolloidnanopartikel und wurde 2020 patentiert. „Das Besondere ist neben der gezielten Größenvariation die Tatsache, dass die kolloidalen Suprapartikel unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Substrats generiert und auf diesem orts- und formdefiniert abgelegt werden können“, unterstreicht Dr. Thomas Blaudeck, der die Forschungsarbeiten zunächst am Institut für Print- und Medientechnik initiiert und später am Zentrum für Mikrotechnologien und am Forschungszentrum MAIN weitergeführt und zwischen den Partnerinnen sowie Partnern koordiniert hat.
Optisches Phänomen an gedruckten Nanostrukturen experimentell und theoretisch beschrieben
Bei der Untersuchung der so erzeugten Strukturen zeigte sich ein bislang für gedruckte kolloidale Nanostrukturen noch nicht beobachtetes und beschriebenes Phänomen: eine doppelte optische Bandlücke. Während für sogenannte photonische Kristalle – also hochgeordnete und ausgedehnte dünne Schichten aus gleich großen kolloidalen Nanopartikeln – eine definierte einfache Bandlücke zum physikalischen Grundwissen gehört, ließen die von den Chemnitzer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern betrachteten sphärischen Suprapartikel in ihrem Größenbereich grundsätzlich zwei Farben im sichtbaren Spektralbereich passieren. Die detektierte Wellenlänge konnte mit dem Winkel der Betrachtung und der Position des Suprapartikels zum einfallenden und detektierten Lichtstrahl gezielt verändert werden. Das Prinzip ist in der Natur als Perlmutt-Effekt bekannt und zeigt sich unter anderem zum Beispiel in den schillernden Farben von Insektenpanzern.
Gezielte und beharrliche Nano-Analytik mit Kreuzstrahl-Rasterelektronen-mikroskopie und winkelaufgelöster Mikroreflexionsspektroskopie brachte das Forschungsteam schließlich der Ursache des schillernden Farbeffekts auf die Spur. Die erzeugten kugelförmigen Suprapartikel wiesen eine dünne äußere nanomembranartige Struktur von wenigen Monolagen an Kolloidpartikeln mit guter Nahordnung auf, während in ihrem Inneren die Unordnung überwog. Dazu waren theoretische Betrachtungen und Simulationen der Wellendynamik des Lichts am Hochleistungscomputercluster des Forschungszentrums MAIN der TU Chemnitz eine Voraussetzung für den Forschungserfolg. Die gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation zeigte schließlich, dass nicht die kristallinen Facetten an der Oberfläche, sondern der ungeordnete Kern der Suprapartikel maßgeblich für das beobachtete optische Phänomen verantwortlich war: Die erwartete Reflexion an den äußeren Schichten mit kristalliner Ordnung (sogenannte Bragg-Reflexion) trat hinter die Streuung aus dem ungeordneten Inneren der Suprapartikel (sogenannte Mie-Streuung) zurück, die damit wesentlich für das Auftreten der doppelten Bandlücke verantwortlich gemacht werden konnte.
„Diese Erkenntnisse legen nahe, dass Verständnis und gezielter Einsatz von Unordnung für Anwendungen geeignet sind, wenn man aus unterschiedlichen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Perspektiven den konkreten Zusammenhängen auf die Spur gekommen ist. Das ist besonders für die Erprobung kostengünstiger Herstellungsverfahren wie in diesem Fall dem Drucken oder neuartigen mikro- und nanofluidischen Abscheidungstechniken wichtig, bei denen man mit einem gewissen Grad an Unordnung rechnen muss“, zieht Dr. Thomas Blaudeck ein Fazit. Das Forschungszentrum MAIN mit seinen 16 DFG-Forschungsgroßgeräten, darunter Kreuzstrahl-Rasterelektronenmikroskop, Hochleistungssimulationscluster und fluidischem Kraftmikroskop ist für interdisziplinäre Folgearbeiten auch in Zusammenarbeit mit den beteiligten Fakultäten bestens ausgestattet.
Die Forschungsarbeiten wurden initial durch die EU-Projekte „Network of Excellence for the Exploitation of Organic and Large-Area Electronics (Polynet, Förderkennzeichen 214006) und “Technology and Design Kits for Printed Electronics” (TDK4PE, Förderkennzeichen 287682) gefördert. Sie wurden durch eine Promotionsarbeit (Dr. Enrico Sowade) an der Fakultät Maschinenbau in Kooperation mit dem Fraunhofer ENAS weitergeführt sowie mit einem Spezialisierungspraktikum (David Röhlig) am Institut für Physik in Kooperation mit dem Zentrum für Mikrotechnologien und dem Forschungszentrum MAIN abgeschlossen.
Veröffentlichung: Eduard Kuhn, David Röhlig, Enrico Sowade, Dirk Rittrich, Andreas Willert, Stefan E. Schulz, Reinhard R. Baumann, Angela Thränhardt, Thomas Blaudeck: “Disorder explains dual-band reflection spectrum in spherical colloidal photonic supraparticle assemblies“, Nano Select 2 (12), 2461-2472 (2021). Das Manuskript ist online verfügbar: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/nano.202100263
Patent: Enrico Sowade, Thomas Blaudeck, Reinhard Baumann, Jens Hammerschmidt: „Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur auf einem Substrat“, DE102010063982B4 (erteilt und veröffentlicht am 16.07.2020)
Hintergrund: Forschungszentrum MAIN
Das Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) wurde am 13. August 2018 an die TU Chemnitz übergeben und im August 2020 als Zentrale Einrichtung der TU Chemnitz implementiert. Die Forschung der 14 wissenschaftlichen Arbeitsgruppen aus den beteiligten Fakultäten für Elektrotechnik und Informationstechnik sowie Naturwissenschaften ordnet sich in die Kernkompetenz „Materialien und intelligente Systeme“ der TU Chemnitz ein und widmet sich den grundlegenden physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie der Erschließung des ingenieurwissenschaftlichen Anwendungspotentials der Materialklasse flexibler nanostrukturierter Membranen („Nanomembranen“) als neuartiger Materialklasse. Es ist eines der modernsten Felder der Werkstoff- und Materialwissenschaften, in denen die TU Chemnitz weltweit führend ist. Forschungsschwerpunkte sind dehnbare, flexible und hybride Elektronik, Optofluidik, Optoplasmonik und Metamaterialien, On-Chip-Energiespeicherung, Nanomechanik und Zuverlässigkeit sowie Modellierung und Simulation.
Weitere Informationen erteilt Dr. Thomas Blaudeck, Forschungszentrum MAIN, E-Mail thomas.blaudeck@main.tu-chemnitz.de, Tel. 0371/531-35610.
(Autor: Dr. Thomas Blaudeck)
Matthias Fejes
02.02.2022
