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Dienstag, 23.05.2017
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Löcher machen Metall undurchsichtig

Unerwartete Eigenschaften von Nanostrukturen entdeckt

Mit Hilfe einer sehr dünnen Metallschicht lassen sich halbdurchlässige Spiegel, beispielsweise als nur einseitig durchsehbare „Spionspiegel" erzeugen. Man könnte nun vermuten, dass Löcher in der dünnen Metallschicht die Sicht verbessern würden. Genau das Gegenteil ist jedoch der Fall, wie Physiker jetzt festgestellt haben. In der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ beschreiben sie, warum viele winzige Löcher das Metall undurchsichtiger machen.
Rechts elektronenmikroskopische Aufnahme des perforierten Goldfilms, links Schema

Rechts elektronenmikroskopische Aufnahme des perforierten Goldfilms, links Schema

Metalle sind bekanntlich undurchsichtig: Sie reflektieren Licht fast vollständig. Deshalb kann man sie auch als Spiegel verwenden. Bereits vor etwa zehn Jahren entdeckten Physiker ein merkwürdiges Phänomen. Sie bohrten in einen lichtundurchlässigen dicken Metallfilm winzige Löcher, die deutlich kleiner waren als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Nach der klassischen Optik sollte das Licht weiterhin fast vollständig reflektiert werden. Durch die winzigen Löcher ging jedoch viel mehr Licht als erwartet. Diese Entdeckung löste eine bis heute andauernde Lawine an neuen Untersuchungen aus.

Rechts elektronenmikroskopische Aufnahme des perforierten Goldfilms, links Schema

Rechts elektronenmikroskopische Aufnahme des perforierten Goldfilms, links Schema

Mehr Löcher aber weniger Licht


Normalerweise können Materialien nicht durchsichtig und elektrisch leitend sein. Die Physiker um Professor Martin Dressel und Bruno Gompf vom 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart versuchten, einen dünnen Metallfilm so mit winzigen Löchern zu perforieren, dass er weiterhin Strom
leitet und das Licht ungehindert durchlässt. Ihre Überraschung war groß, als sie genau den umgekehrten Effekt fanden. Perforierten sie einen halbdurchlässigen Metallfilm mit einer periodischen Anordnung von winzigen Löchern, geht nicht mehr, sondern deutlich weniger Licht hindurch als zuvor. Und das, obwohl der Film danach fast zur Hälfte aus Löchern besteht. Die zusätzlichen Löcher versperren die Sicht.

Zusätzliche Absorption im Goldfilm


Im konkreten Fall untersuchten die Stuttgarter Physiker die Transmission durch einen etwa 20 Nanometer dicken Goldfilm. Die Goldfilme sind damit nur ein paar Dutzend Atome dick. Die Filme wurden mit 200 Nanometer großen Löchern perforiert, die einen regelmäßigen Abstand von 300 Nanometern hatten.Solche Schichten lassen sich heute mit üblichen lithographischen Verfahren,
wie sie auch in der Halbleiterproduktion eingesetzt werden, großflächig herstellen.


Abstand entscheidend


Die durchlöcherten Filme zeigen im sichtbaren und nahen infraroten Bereich, Frequenzen, bei denen das Licht stark absorbiert wird. Diese zusätzliche Absorption, die man von Metallen normalerweise nicht kennt, ist eine direkte Konsequenz des periodischen Lochmusters und hängt in erster Näherung nur vom Abstand, nicht aber von der Größe der Löcher ab. Die Periodizität erlaubt kollektive Anregungen der Metallelektronen, der so genannten Plasmonen.

Eine Besonderheit dieser Plasmonen ist, dass ihre Anregung stark vom Einfallswinkel des Lichts abhängt. Dreht man den Film ein wenig, ändert sich die Farbe der Plasmonen. Genau das wurde auch im Experiment beobachtet. In wieweit diese unerwartete optische Eigenschaft von Nanostrukturen gezielt für künftige Anwendungen genutzt werden kann, soll nun intensiv erforscht werden.
(Universität Stuttgart, 11.11.2009 - NPO)
 
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