Preparation of optical functional nanocomposites of polymer based metallic nanoparticles
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die Herstellung von polymerbasierten Nanokompositen für optische Anwendungen, in denen die optischen Eigenschaften durch eingelagerte metallische Nanopartikel bestimmt werden. Die Nanopartikel aus Edelmetallen zeigen Oberflächenplasmonenresonanzen, die die optischen Eigenschaften im Wesentlichen bestimmen und sich u.a. über Teilchengröße, Füllfaktor sowie Art der Matrix und des Metalls kontrollieren lassen. Die Nanokomposite sollten über zwei alternative neuartige Gasphasenabscheidungsverfahren hergestellt werden, bei denen eine metallische und eine organische Komponente entweder durch Ko-Verdampfen oder Ko-Sputteren deponiert werden. Insbesondere sollten auch Legierungspartikeln mit wohldefinierter Zusammensetzung in Polymere eingebracht werden. Die Arbeiten liefen im Wesentlichen nach Plan und gingen teilweise auch deutlich über diesen hinaus. Sie sind in 15 Publikationen eingeflossen. Sowohl durch Ko-Verdampfen als auch mit Ko-Sputtern von metallischen und organischen Komponenten gelang die kontrollierte Herstellung von Nanokompositen mit ausgeprägten Plasmonenresonanzen. Es wurden Nanopartikel aus Gold und Silber in die organische Matrix eingebracht. Dabei gelang es, den Füllfaktor in weiten Bereichen vom perfekten Isolator bis hin zu metallischer Leitfähigkeit zu variieren. Als Matrixkomponente dienten Teflon-AF, PMMA, Nylon und PαMS. Die Komposite wurden hinsichtlich ihrer strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften charakterisiert. Insbesondere gelang die Einbringung von Legierungspartikeln mit frei wählbarer Konzentration. Dadurch ließ sich u.a. die Plasmonenresonanzfrequenz über einen weiten Bereich einstellen. Neben Legierungen wurden auch metastabile Core-Shell-Partikel erzeugt und die Legierungsbildung untersucht. Die Erkenntnisse zu den elektrischen Eigenschaften in der Nähe der Perkolationsschwelle wurden auch für die Entwicklung empfindlicher und selektiver Sensoren für organische Dämpfe ausgenutzt und sind in ein neues Projekt eingeflossen. Es gelang über den Metallfüllfaktor auch den Brechungsindex in weiten Grenzen einzustellen und Bragg-Reflektoren zu bauen. Ferner wurde das Alterungsverhalten untersucht. Nach einer thermischen Vorbehandlung erwiesen sich die Komposite als langzeitstabil. Unter Stromfluss wurden sowohl reversible als auch komplexe irreversible Veränderungen beobachtet. In Kooperation mit dem amerikanischen Unternehmen Lake Shore wurden Wechselwirkungen zwischen den Plasmonenresonanzen einzelner Nanopartikel im Rahmen einer verbesserten Effective-Medium-Theorie behandelt. Zur Wechselwirkung zwischen den Plasmonenresonanzen benachbarter Nanopartikel wurden auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt und am Beispiel der "equal intensity double plasmon resonance" demonstriert, wie sich die Plasmonenwechselwirkung zur gezielten Beeinflussung des Absorptionsspektrums einsetzen lässt. Silberhaltige Nanokomposite zeigten auch sehr gute antibakterielle Eigenschaften, die sich durch Kombination mit Spuren von Goldnanopartikeln über die Konstruktion einer nanoelektrochemische Zellen noch erheblich steigern ließen.
Publications
- Optical and electrical properties of polymer metal nanocomposites prepared by magnetron co-sputtering, U. Schürmann, H. Takele, V. Zaporojtchenko, and F. Faupel, Thin Solid Films 515, 801 - 804 (2006).
- Plasmonic properties of Ag nanoclusters in various polymer matrices, H.Takele, H. Greve, C. Pochstein, V. Zaporojtchenko, and F. Faupel, Nanotechnology 17, 3499-3505 (2006).
- Deposition of nanocomposites by plasmas, F. Faupel, V. Zaporojtchenko, H. Greve, U. Schürmann, C. Hanisch, V. S. K. Chakravadhanula, A. Kulkarni, A. Gerber, E. Quandt and R. Podschun, Contrib. Plasma Phys. 47, 537 - 544 (2007).
- Improved effective medium approach: Application to metal nanocomposite, Vladimir Kochergin, Vladimir Zaporojtchenko, Haile Takele, Franz Faupel, and Helmut Föll, J. Appl. Phys. 101, 024302 (2007).
- Physico-chemical and antimicrobial properties of co-sputtered Ag-Au /PTFE nanocomposite coatings, V. Zaporojtchenko, R. Podschun, U. Schürmann, A. Kulkarni, and F. Faupel, Nanotechnology 17, 4904 (2006).
- Polymer Nanocomposites for Functional Applications F. Faupel, V. Zaporojtchenko, H. Greve, U. Schürmann, H. Takele, C. Pochstein, V. S. K. Chakravadhanula, A. Biswas, A. Gerber, E. Quandt and R. Podschun, (invited talk), in: Proc. 2nd Int. Conf. "Electroactive Polymers: Materials & Devices" (ICEP-2007), Goa, Feb. 2007.
- Polymer-metal nanocomposites for functional applications V. Zaporojtchenko, U. Schürmann, H. Greve, H. Takele, A. Biswas, C. Pochstein, M. Frommberger, E. Quandt, A. Avasthi, R. Podschun, and F. Faupel, Nanofair 2005, 4th International Nanotechnology Symposium, Dresden 29.-30.11.05, VDIBerichte 1920, ISBN 3-18-091920-5 (2005).
- Polymer-metal nanocomposites with 2-dimensional Au nanoparticle arrays for sensoric applications, C. Hanisch, A. Kulkarni, V. Zaporojtchenko and F. Faupel, Journal of Physics: Conference Series, 100, 2008, 052043.
- Vapor phase deposition of nanostructured polymer-metal composites for advanced technology applications, A. Biswas, P.C. Karulkar, H. Eilers, M. Grant Norton, D. Skorski, C. Davitt, H. Greve, U. Schürmann, V. Zaporojtchenko, and F. Faupel, Vacuum Technology & Coating, 54 (2006).
