Metallnanopartikel erzeugt durch Excimer- und Festkörperlaserstrahlung in Silikatglas: Abhängigkeit der atomaren Struktur, der Wechselwirkungen mit der Glasmatrix und der Eigenschaften der Nanopartikel von ihren Größen, räumlichen Konfigurationen und Präparationsprozeduren

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Manfred Dubiel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263542839

Die grundlegenden Beziehungen zwischen Präparationsbedingungen, atomarer Struktur und optischen Eigenschaften sollen für Ag- und Ag/Au-Nanopartikel und spezifische Anordnungen ermittelt werden, die mit UV-Laserbestrahlung in Gläsern erzeugt worden sind. Insbesondere sollte die ArF-Laserstrahlung die Ausbildung von hochaufgelösten Mustern aus Nanopartikeln unmittelbar unter der Glasoberfläche erlauben, welche von besonderem Interesse sind wegen dem hohen Potenzial für vielfache Anwendungen als nanoplasmonische Elemente. Den Ausgangspunkt bilden reine und Au-haltige Gläser, welche mit Silberionen durch einen Ag/Na-Ionenaustausch dotiert werden. ArF-Excimer(193nm)- und zum Vergleich Festkörper(405nm)-Laser sollen mittels Fluenzen unterhalb der Ablationsschwelle die Bildung von stabilisierten Nanopartikeln erzeugen, wozu detaillierte Untersuchungen zu den Elementarprozessen der Reduktion der Metallionen und dem Wachstum der Partikel unter UV-Strahlung die Basis liefern. Die Bildung von UV-Defekten, Metallatomen und Nanopartikeln wird mit Hilfe der optischen Spektroskopie und weiteren Methoden nachgewiesen. Die genauen Größen der Partikel und deren Verteilung sollen mittels SAXS, XRD und der Transmissionselektronenmikroskopie für einige ausgewählte Proben bestimmt werden. Der Existenz von homogenen oder Core-Shell-Ag/Au-Partikeln muss durch die anomale Röntgenkleinwinkelstreuung (ASAXS) an der Ag-K- und der Au-L3-Kante geklärt werden. Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) an der Ag-K- und Au-L3-Kante wird angewendet werden zur Bestimmung der inhomogenen atomaren Struktur der Nanopartikel, die für alle Nanostrukturen zu erwarten ist. Die Strukturinformation wird durch zwei komplementäre Näherungen zur Bearbeitung der experimentellen Spektren erhalten, wodurch die Bestimmung der lokalen Strukturparameter der Ag- und Au-Atome möglich wird, die in unterschiedlichen Spezies oder lokalen Ordnungen innerhalb der Partikel existieren. Weiterhin werden 3D-Modelle von sehr kleinen Ag- und Ag/Au-Nanopartikeln (bis 2-5nm) konstruiert mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) mittels ebener Wellen und Pseudopotenzialformalismen und mit der Langevin-Molekulardynamik. Die Simulation der optischen Spektren in Form der Oberflächenplasmonenresonanzen mit Hilfe der Mie-Theorie soll eine direkte Korrelation zu den detaillierten Strukturergebnissen der Metallnanostrukturen ergeben. Dies soll eine definierte Erzeugung von plasmonischen Spektren als Ergebnis von UV-Laserbestrahlung erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Beteiligte Person: Professor Dr. Lusegen A. Bugaev