Nanotechnologie: Ein Thermometer für den Nanobaukasten
Wer auf kleinstem Raum messen will, braucht ein der Größe angepasstes Thermometer. Ein solches Miniaturgerät haben Wissenschaftler in den USA nun aus aus winzigen Goldkügelchen gebastelt: Mit Hilfe einer Korona aus Halbleiternanopartikeln erzeugten sie temperaturabhängiges Leuchten.
Klein, kleiner, nano – nanoskopische Teilchen, die sich zu kontrollierten Überstrukturen arrangieren lassen, sind der Stoff, aus dem sich zukünftige "intelligente" Materialien mit neuen Funktionalitäten herstellen lassen könnten. Forscher von der Universität von Michigan und der Universität Ohio haben jetzt ein Nanothermometer entwickelt, das auf einem System aus zwei verschiedenen Arten von Nanopartikeln basiert.
Und so sieht das Thermometer aus: Zentraler Bestandteil der Überstruktur sind etwa zwanzig Nanometer kleine runde Goldpartikel. Auf die Oberfläche dieser Partikel knüpfte die Forschergruppe um Nicholas Kotov eine Vielzahl noch kleinerer Kügelchen mit einem Durchmesser von nur 3,7 Nanometer aus dem Halbleitermaterial Kadmiumtellurid. Sie sind über molekulare "Federn" aus Polyethylenglykol-Ketten mit dem Goldkern verbunden und ordnen sich zu einer Art Korona an.
Bestrahlt man nun diese Nanostrukturen mit Laserlicht, so wird das Kadmiumtellurid zum Leuchten angeregt. Das Licht gibt seine Energie an ein Exciton, ein Elektron-Loch-Paar, des Halbleiters ab, das oszilliert. Das Elektron erklimmt dabei das Energieniveau des Leitungsbands, während das Loch im Valenzband verbleibt. Wenn sich ein Elektron wieder mit einem Loch vereinigt, wird die Energie in Form von Lumineszenz wieder frei: Das Halbleiterpartikel leuchtet.
Das Goldnanopartikel als Metall verfügt dagegen über frei bewegliche Leitungselektronen, die das Kristallgitter in Form einer Elektronenwolke umhüllen. Ein externes elektromagnetisches Feld, etwa in Form eines Exzitons, kann diese Wolke in Schwingungen versetzen. Das Schwingungsenergiepaket nennt man Plasmon.
Das Gold-Kadmiumtellurid-Nanopartikelsystem wurde so abgestimmt, dass die Energien der Korona-Exzitonen und der Kern-Plasmonen eine sehr ähnliche Größe haben. Ist dies der Fall, können Exziton und Plasmon miteinander wechselwirken, wobei die auftretende Resonanz die Lumineszenz der Korona deutlich verstärken kann. Wie groß dieser Effekt ist, hängt vom Abstand zwischen den Koronapartikeln und dem zentralen Goldpartikel ab, also der Federlänge – und die wiederum ist temperaturabhängig. Bei Erwärmung dehnen sich die Federn aus, der Abstand zwischen Kern und Korona nimmt zu, das Leuchten nimmt ab. Wird wieder abgekühlt, ziehen sich die Federn zusammen, die Korona rückt an den Kern, das Leuchten wird wieder stärker.
"Unser Nanopartikelsystem ist ein Beispiel für eine nanoskopische Überstruktur, die sich als Antwort auf einen äußeren Reiz, hier die Temperatur, reversibel verändert", sagt Kotov. "Die Kopplung mit einer Plasmon-Exziton-Wechselwirkung macht diese Antwort als sehr empfindliches optisches Signal sichtbar – ein Prinzip, das die Basis für eine neue Familie von Sensoren und optoelektronischen Bauteilen bilden könnte."
Und so sieht das Thermometer aus: Zentraler Bestandteil der Überstruktur sind etwa zwanzig Nanometer kleine runde Goldpartikel. Auf die Oberfläche dieser Partikel knüpfte die Forschergruppe um Nicholas Kotov eine Vielzahl noch kleinerer Kügelchen mit einem Durchmesser von nur 3,7 Nanometer aus dem Halbleitermaterial Kadmiumtellurid. Sie sind über molekulare "Federn" aus Polyethylenglykol-Ketten mit dem Goldkern verbunden und ordnen sich zu einer Art Korona an.
Bestrahlt man nun diese Nanostrukturen mit Laserlicht, so wird das Kadmiumtellurid zum Leuchten angeregt. Das Licht gibt seine Energie an ein Exciton, ein Elektron-Loch-Paar, des Halbleiters ab, das oszilliert. Das Elektron erklimmt dabei das Energieniveau des Leitungsbands, während das Loch im Valenzband verbleibt. Wenn sich ein Elektron wieder mit einem Loch vereinigt, wird die Energie in Form von Lumineszenz wieder frei: Das Halbleiterpartikel leuchtet.
Das Goldnanopartikel als Metall verfügt dagegen über frei bewegliche Leitungselektronen, die das Kristallgitter in Form einer Elektronenwolke umhüllen. Ein externes elektromagnetisches Feld, etwa in Form eines Exzitons, kann diese Wolke in Schwingungen versetzen. Das Schwingungsenergiepaket nennt man Plasmon.
Das Gold-Kadmiumtellurid-Nanopartikelsystem wurde so abgestimmt, dass die Energien der Korona-Exzitonen und der Kern-Plasmonen eine sehr ähnliche Größe haben. Ist dies der Fall, können Exziton und Plasmon miteinander wechselwirken, wobei die auftretende Resonanz die Lumineszenz der Korona deutlich verstärken kann. Wie groß dieser Effekt ist, hängt vom Abstand zwischen den Koronapartikeln und dem zentralen Goldpartikel ab, also der Federlänge – und die wiederum ist temperaturabhängig. Bei Erwärmung dehnen sich die Federn aus, der Abstand zwischen Kern und Korona nimmt zu, das Leuchten nimmt ab. Wird wieder abgekühlt, ziehen sich die Federn zusammen, die Korona rückt an den Kern, das Leuchten wird wieder stärker.
"Unser Nanopartikelsystem ist ein Beispiel für eine nanoskopische Überstruktur, die sich als Antwort auf einen äußeren Reiz, hier die Temperatur, reversibel verändert", sagt Kotov. "Die Kopplung mit einer Plasmon-Exziton-Wechselwirkung macht diese Antwort als sehr empfindliches optisches Signal sichtbar – ein Prinzip, das die Basis für eine neue Familie von Sensoren und optoelektronischen Bauteilen bilden könnte."
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