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News: Optoelektronische Bauteile in Gelee

Photonische Kristalle stehen momentan im Rampenlicht der Forschung. Grundlage für diese Stoffe sind Materialien, deren Strukturen in der Größenordnung von der Wellenlänge sichtbaren Lichts liegen. Hier tut sich möglicherweise ein neuer Syntheseweg auf, denn kürzlich gelang es Forschern, eine Matrix aus Kolloiden in einem Gel zu fixieren.
Materialien mit sehr regelmäßigen Strukturen im Bereich von einigen hundert Nanometern sind für verschiedene technische Anwendungen interessant. So könnten sie als photonische Kristalle in Laserdioden und anderen optoelektronischen Geräten dienen; auch als Katalysatoren kommen sie in Betracht. Die Werkstoffe zeichnen sich durch so genannte Mesostrukturen aus – Strukturen, die in den Bereich zwischen Makro- und atomaren Mikrostrukturen fallen. Da die Größenordnung der Mesostrukturen den Wellenlängen des sichtbaren Lichts entspricht, haben mesostrukturierte Materialien besondere optische Eigenschaften. Obwohl intensiv an Mesostrukturen geforscht wird, bleibt es schwierig, sie zu erzeugen.

Forscher um Rolf Hempelmann von der Universität des Saarlandes haben nun eine neuartige Methode entwickelt, um dreidimensionale Mesostrukturen aus Metallen herzustellen. Ausgangspunkt sind winzige, kugelförmige Latexklümpchen. In wässriger Lösung liegen sie extrem fein verteilt – kolloidal – vor. Dabei ist ihre Größenverteilung sehr eng, das heißt sie sind alle fast gleich groß – circa 200 Nanometer im Durchmesser.

Die Oberfläche der Kügelchen ist negativ geladen, daher stoßen sie sich ab. Wenn die Konzentration der Kügelchen einen bestimmten Wert überschreitet, ordnen sie sich wegen dieser Abstoßungskräfte zu einem regelmäßigen Muster an, einer Art flüssigem Kristallgitter. Dieses dient nun als Schablone, um Metallatome in "Reih' und Glied" zu bringen. Allerdings genügt eine kleine Erschütterung oder Verunreinigung, um die Ordnung zu stören. Hempelmann und seine Mitarbeiter lösten dieses Problem, indem sie die Flüssigkeit in ein festes Gel umwandelten, um die Partikel auf ihren Positionen zu fixieren. Das "Geliermittel" ist Acrylamid, das zu Polyacrylamid vernetzt und die Latexkugeln dabei einschließt.

Das mesostrukturierte Gel wird auf eine Elektrode aufgebracht und die Elektrode in eine Silbernitratlösung getaucht. Legt man Strom an, so scheidet sich an der Elektrode Silber ab – jeweils zwischen den Latex-Kügelchen. So entsteht eine regelmäßige Silber-Mesostruktur. "Für Anwendungen in der Optik wollen wir nun statt Silber Halbleitermaterialien in die Gele einfüllen", erläutert Hempelmann.

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