INSBESONDERE ZUR FREQUENZWANDLUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Manipulation, insbesondere zur Frequenzwandlung von elektromagnetischer Strahlung, eine Solarzelle mit einer derartigen Vorrichtung, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.

In vielen Bereichen der Technik ist es erwünscht, den Frequenzbereich von

elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise von Licht, zu ändern. Man spricht in diesem Fall von Frequenzwandlung oder Wellenlängenwandlung. Bei einem derartigen Vorgang ist zunächst wenigstens ein Photon einer bestimmten ersten Frequenz bzw. Wellenlänge vorhanden, und im Endzustand wenigstens ein Photon einer bestimmten zweiten Frequenz bzw. Wellenlänge, die sich von der ersten bestimmten Frequenz bzw. Wellenlänge

unterscheidet, vorhanden. Der in Betracht kommende Wellenlängenbereich der

elektromagnetischen Strahlung ist unbeschränkt, liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von 1 Millimeter bis 1 Nanometer.

Die Begriffe -Hochkonversion" bzw.„upconversion" werden verwendet, um einen Vorgang zu kennzeichnen, bei dessen Ausgangszustand wenigstens ein Photon bestimmter Frequenz bzw. Wellenlänge vorliegen, und bei dessen Endzustand wenigstens ein Photon höherer Frequenz bzw. geringer Wellenlänge vorliegt. Hingegen werden die Begriffe„Niederkonversion" bzw.„ downconversion", oder„downshift" verwendet, um einen Vorgang zu kennzeichnen, bei dessen Ausgangszustand wenigstens ein Photon bestimmter Frequenz bzw. Wellenlänge vorliegt, und bei dessen Endzustand wenigstens ein Photon geringerer Frequenz bzw. größerer Wellenlänge vorliegt. Die Begriffen„downconversion" und„downshift" unterscheiden sich darin, dass bei einer„downconversion" zumindest ein Teil der Energiedifferenz zwischen dem eingehenden und dem ausgehenden Photon in Form eines weiteren nutzbaren Photons abgegeben wird; bei einem„downshift" geschieht das nicht.

Eine Frequenzwandlung kann immer dann wünschenswert sein, wenn eine Strahlungsquelle und ein Strahlungsempfänger in ihrem Zusammenspiel frequenzabhängig sind. In der

Beleuchtungstechnik sowie im Multimediabereich kommt es beispielsweise vor, dass gewisse Leuchtmittel effizienter oder kostengünstiger herzustellen oder zu verbauen sind als jene, die für die jeweilige Anwendung hinsichtlich des emittierten Lichtspektrums optimal wären. Lichtquellen bestimmter Wellenlängen können gar nicht oder nur mit wesentlich höherem Aufwand realisiert werden, etwa weiße oder auch rosa LED's. In der Photovoltaik müssen Solarzellen so weit wie möglich auf das Spektrum des Sonnenlichtes abgestimmt werden. Dass diese spektrale Fehlpassung (spectral mismatch) bei allen einschichtigen Solarzellentypen zu den Verlusten beiträgt, zeigt deutlich das Potential der Frequenzwandlung auf. In der Photonik und optischen Signalverarbeitung können optische Signale mittels Frequenzwandlung in andere, logisch aufeinander abbildbare optische Signale umgesetzt werden. Dies kann bedeutsam sein bei Schnittstellen zwischen zwei Übertragungsmedien mit unterschiedlicher Signalwellenlänge. Auch eine Wandlung des Lichts einer bestimmten Lichtquelle (analog zu der Anwendung im Multimediabereich) zur Nutzbarmachung in einem optischen Signalsystem kann bedeutsam sein.

Weitere Anwendungsfälle ergeben sich in der Agrartechnik. Pflanzen absorbieren über ihre Blätter Sonnenlicht, wobei nicht das gesamte Spektrum genutzt wird. Eine Frequenzwandlung ungenügend genutzter spektraler Bereiche in Spektralbereiche mit besserer Nutzbarkeit erhöht die Ausbeute. Dies kann beispielsweise durch Frequenzwandlung in den Fenstern eines Glashauses erfolgen. Auch können mit Frequenzwandlung künstliche Lichtquellen auf die jeweiligen Nutzpflanzen abgestimmt werden. Frequenzwandlung kann in der Messtechnik zur Detektion verwendet werden. So können durch Frequenzwandlung die frequenzwandelnden Vorrichtungen in einem Medium detektiert werden. Bei Vorliegen einer Einrichtung zur

Frequenzwandlung in ausreichend kleiner Dimension und Anreicherung derselben in malignen Zellen können diese in der Medizintechnik detektiert werden. Genauso kann durch Einbringen von Licht mit einer weniger zellschädigenden Quellwellenlänge und großen Eindringtiefe (z.B. Infrarot) und durch Wandlung zu Licht mit einer zellschädigenderen Zielwellenlänge und geringerer Eindringtiefe das maligne Zellmaterial zerstört werden.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Frequenzwandlung bekannt, bei denen die Frequenzwandlung mittels Nanomaterialien, Nanopartikel, Nanoantennen, Halbleitermaterialien, nichtlinearen Kristallen, Farbstoffen oder Phosphoren erfolgt. Dabei wird ein Material als Nanomaterial bezeichnet, wenn es in mindestens einer Raumrichtung eine sehr geringe

Abmessung besitzt (insbesondere unter 100nm). Besonders hervorzuheben sind Nanopartikel (auch: Nanokristalle, Quantenpunkte aus Halbleitermaterial). Dabei handelt es sich um kleine Partikel die in jede Raumrichtung eine Dimensionierung von unter einem Mikrometer aufweisen. Viele der beschriebenen Effekte treten verstärkt beziehungsweise häufiger auf, wenn das betreffende Material als Nanomaterial vorliegt. Bei der bekannten Frequenzwandlung mittels Halbleitermaterialien wird ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband gebracht, wenn ein Photon eine Energie hat, die gleich oder größer ist als die Energie des Bandabstandes. Dieses Elektron - Loch - Paar (Exziton) ist nur für kurze Zeit stabil. Ein Elektron des Leitungsbandes fällt in das Valenzband zurück, wobei ein Photon mit genau jener Energie emittiert wird, die der Energie des Bandabstandes entspricht. Die Energie des eingehenden Photons, die die Energie des Bandabstandes übersteigt, wird in Wärmeenergie oder in Gitterschwingungen (Phononen) umgesetzt. In diesem einfachen Fall liegt bereits eine Wandlung der Wellenlänge vor, da das ausgehende Photon eine geringe Energie und damit eine größere Wellenlänge als das eingehende Photon aufweist.

Weitere Effekte sind bekannt, beispielsweise: das Elektron im Leitungsband fällt von seinem ursprünglichen Energieniveau auf die Unterkante des Leitungsbandes ab, wobei es die Energie, die die Energie des Bandabstandes überstieg, nicht in Form von beispielsweise Wärme abgibt, sondern in Form eines zweiten Photons. In diesem Fall wurde die Energie des eingehenden Photons auf zwei Photonen mit größerer Wellenlänge und jeweils geringerer Energie aufgeteilt. Ein anderer Fall tritt auf, wenn ein Elektron bereits von einem Photon ins Leitungsband gehoben wurde, und von dort aus von einem zweiten Photon noch weit über das Leitungsband hinaus gehoben wird. Es kann geschehen, dass dieses Elektron unter Abgabe von nur einem Photon auf das Valenzband zurücksinkt.

Die Energie dieses emittierten Photons entspricht jener der beider eingehender Photonen und ist dementsprechend kurzwelliger. Es ist auch möglich, dass ein Photon mit geringfügig geringerer Energie als der Bandabstand des Halbleiters ein Elektron ins Leitungsband hebt, indem für diesen Ablauf zusätzlich die Energie eines Phonons eingebracht wird. Beim

Zurückfallen ins Valenzband wird ein Photon emittiert, das kurzwelliger und energiereicher als das ursprünglich eingefangene Photon ist, wobei der Zugewinn an Energie der Wirkung des Phonons zuzurechnen ist. Ein weiterer Fall ist dann gegeben, wenn beim Vorliegen mehrerer Halbleiter-Nanopartikel ein Energieübertrag zwischen diesen Nanopartikeln stattfindet: bei ausreichend geringer, passender Entfernung zwischen Nanopartikeln kann eine

Energieübertragung stattfinden, so dass beispielsweise von zwei Elektronen (die bereits von zwei entsprechenden Photonen angeregt wurden) an der Unterkante des Leitungsbandes eines ins Valenzband sinkt, und die entsprechende Energiemenge eine Anhebung des zweiten Elektrons im benachbarten Nanopartikel über die Unterkante des Leitungsbandes bewirkt.

Dieses kann dann bei Zurückfallen ins Valenzband ein Photon mit Energie von beiden ursprünglich absorbierten Photonen emittieren. Bei der bekannten Frequenzwandlung mittels optisch nichtlinearer Materialien werden Photonen bei ausreichender Leistungsdichte über„second harmonic generation" (SHG) oder„third harmonic generation" (THG) und anderen nichtlinearen Prozessen zu Photonen doppelter oder dreifacher Energie und entsprechender Wellenlänge gewandelt, wobei Impuls und Phase erhalten bleibt. Ebenfalls möglich ist der Effekt der spontan parametrischen Up- Conversion, bei welchen Photonen aus zwei unterschiedlichen Lichtquellen durch Energie- und Impulsaddition zu einem energiereicheren Photon konvertiert werden. Der gegenteilige Effekt der spontan parametrischen Down-Conversion wandelt ein Photon aus einer Lichtquelle unter Energie- und Impulserhalt in zwei niederenergetische Photonen.

Ebenso bekannt ist die Wandlung von Wellenlängen durch Nanoantennen, wobei entweder eine besondere Strukturierung der Nanoantennen selbst vorgenommen wird oder eine besondere wechselseitige Positionierung. Verwendet werden resonante, meist metallische Nanopartikel, die mit vertretbarem Aufwand herstellbar sind. Für Stäbchen- und kugelförmige Nanopartikel existieren chemische Herstellungsverfahren, die keine gesonderte Nanostrukturierung mehr erfordern. Durch entsprechende Anordnung können bestimmte Antenneneigenschaften hervorgerufen werden. Durch Anordnung zweier oder dreier kugelförmiger metallischer

Nanopartikel in Berührung oder unmittelbarer Nähe wirken die Nanopartikel verstärkt als resonanter Dipol, indem durch Resonanzphänomene die Wellenlängen absorbierter Photonen gewandelt werden können, wobei die Wellenlängenwandlung von den verwendeten Materialien, der Form der Nanopartikel, ihrer wechselseitigen Anordnung, dem umgebenden Materialien, der Wellenlängen und Anzahl der absorbierten Photonen abhängig sind.

Weiters sind aus dem Stand der Technik Mechanismen bekannt, bei denen ein Energietransfer zwischen zwei benachbarten Nanopartikeln stattfindet. So kann ein von einem Photon angeregter Nanopartikel zum Teil seine Energie auf einen benachbarten übertragen, sodass in Folge zwei Elektronen eine höhere Energie besitzen. Dies ermöglicht die Emission zweier Photonen mit größerer Wellenlänge und geringerer Energie als das ursprünglich von nur einem Nanopartikel absorbierte Photon. Auch die Anregung von jeweils einem Elektron in zwei benachbarten Nanopartikeln und Energieübertrag der Energie des einen auf den zweiten Nanopartikel ermöglicht die Emission eines Photons mit geringerer Wellenlänge und der gemeinsamen Energie beider Photonen, die von den beiden benachbarten Nanopartikeln absorbiert wurden. Bedingung für diese Mechanismen ist die Berührung der beteiligten

Nanopartikel oder zumindest ein sehr geringer Abstand. Diesen passenden Abstand zu realisieren stellt eine technische Herausforderung dar. Den Abstand zwischen Nanopartikeln zu minimieren, indem man sie in großen Mengen zusammenpresst, ist jedoch nicht zielführend, unter anderem aufgrund der mangelnden

Transparenz. Darüber hinaus treten die spezifischen Eigenschaften der Strukturierung als Nanopartikel in den Hintergrund, und das entsprechende Produkt verhält sich vermehrt wieder wie der entsprechende Halbleiter ohne Strukturierung, sodass die erwünschten Effekte bezüglich Wellenlängenwandlung seltener oder nicht mehr auftreten.

Die Eigenschaft resonanter Nanopartikel, Wellenlängen zu wandeln, hängt von ihren Dipol- Eigenschaften ab. Diese sind sowohl über die Form als auch über ihre Anordnung im

wechselseitigen elektromagnetischen Nahfeld abhängig. Allerdings können bei allen einfach zu erzeugenden Formen von Nanopartikeln die Antennenwirkungen durch eine entsprechende Anordnung verstärkt oder in ihren Eigenschaften modifiziert werden. Kugelförmige

Metallnanopartikel können kostengünstig erzeugt werden, und bilden zu zweit oder zu dritt unter Berührung oder unmittelbarer Nähe effiziente Dipole. Bei Verwendung resonanter Nanopartikel kann durch Abstimmung der wechselseitigen Entfernung einer definierten Anzahl von

Nanopartikeln, im Idealfall auch Bestimmung der Lagegeometrie, und in Abhängigkeit der verwendeten Materialien, der umgebenden Materialien und der Partikelgrößen und

Partikelformen, ein reproduzierbares Verhalten hinsichtlich Wellenlängenwandlung erzielt werden.

Die Probleme derartiger bekannter Vorrichtungen bestehen zunächst im Aufwand, Nanopartikel besonderer Form herzustellen. Dementsprechend steigt auch der Aufwand, die wechselseitige Lagegeometrie der resonanten Nanopartikel festzulegen. Durch Anwendung mehrerer

Beschichtungs- und Ablösungsprozesse können beispielsweise auf einem ebenen

Trägermedium pyramidenartige Partikel in einer bestimmten Struktur abgeschieden werden. Die mehrfachen Arbeitsschritte machen dieses Verfahren allerdings aufwendig, verfahrensbedingt ist die Anordnung der Nanopartikel nur mit deren Form gemeinsam adaptierbar, und die resultierende Anordnung erstreckt sich nur in der Fläche.

Darüber hinaus kommt es bei vielen bekannten Formen der Frequenzwandlung zu einem Energieverlust der nur durch spezifische Frequenzwandlung mittels mehrerer Teilchen vermieden werden kann. Es ist in den meisten Fällen unabdingbar, dass sich die Nanopartikel in naher räumliche Lage zueinander befinden. Daher werden die entsprechenden Materialien mit einem Nanostrukturierungsverfahren aufgebracht oder geformt und damit die

wechselseitigen Abstände und Lage hinreichend genau definiert. Diese Nanostrukturierung ist mitunter technisch aufwendig und mit hohen Kosten verbunden. Der Herstellung von

Nanopartikeln an den für die Anwendung vorgesehenen Plätzen sind enge Grenzen gesetzt. Durch den Zusammenschluss mehrerer Nanopartikel zu einem zwei- oder dreidimensionalen geometrischen Gebilde können spezifische Dipol- oder Mehrpol-Geometrien gebildet werden. Den Zusammenschluss von mehreren Partikeln zu einem definierten Gebilde ist jedoch technisch aufwendig. Diese bestimmten geometrische Formen weisen, sofern mit einer elektromagnetischen Welle bestrahlt, Feldüberhöhungen in bestimmten benachbarten räumlichen Regionen auf. Die Platzierung weiterer Nanopartikel in diesen Räumen mit

Feldüberhöhung erfordert die Messung der tatsächlichen Lage der geometrischen Form und die nanometer-genaue Positionierung von einzelnen Nanoteilchen.

Die einzelnen Materialien, die eine Frequenzwandlung ermöglichen, haben jeweils einen imaginären Anteil in ihrem Brechungsindex. Dadurch werden Schichten und Ansammlungen dieser Materialien intransparent. Sofern die absorbierte Energie nicht vollständig wieder emittiert wird, kommt es zu einer Aufheizung des Materials.

Viele der Frequenzwandlungsprozesse, insbesondere jene die Up-Conversion ermöglichen, haben geringe Konversionswahrscheinlichkeiten pro passierter Länge in einem

frequenzwandelndem Medium. Die Schichten von frequenzwandelnden Medien müssen daher dick sein um nennenswerte Konversionseffizienzen zu erzielen. Bei jeder Methode zur

Wellenlängenwandlung gibt es für eine bestimmte Schichtdicke und eine diese durchdringende Leistungsdichte an Photonen einer bestimmten Wellenlänge eine bestimmte

Wahrscheinlichkeit, dass Frequenzwandlung auftritt. Somit ist es vorteilhaft, die Schichtdicke auf die entsprechende Anwendung hin zu optimieren.

Sofern verlustbehafte Prozesse vermieden werden können, ist eine jeweils größere

Schichtdicke einer geringeren Schichtdicke in der Anwendung überlegen. In der Praxis stehen einer Maximierung der Schichtdicke immer der Kostenfaktor und gegebenenfalls räumliche oder gewichtsmäßige Beschränkungen gegenüber, sodass einer Erhöhung der Schichtdicke enge Grenzen gesetzt sind. Das kann soweit führen, dass bei manchen Anwendungen eine wirtschaftlich tragbare Schichtdicke keine brauchbaren Ergebnisse liefert, und somit eine Wellenlängenwandlung aus wirtschaftlichen Gründen nicht möglich ist.

Viele Frequenzwandlungsprozesse beruhen darauf dass, innerhalb der Lebensdauer eines Exzitons ein weiteres erzeugt wird, bzw. ein weiteres Photon dem bereits angeregten Elektron Energie überträgt. Um dies zu erreichen ist die Leistungsdichte des Sonnenspektrums bzw. der technischen Lichtquelle zu gering. Da bei einer Wandlung von langwelligem zu kurzwelligem Licht die Gesamtenergie nicht zunehmen kann, wird meist die Energie einer größeren Anzahl langwelliger Photonen in die Energie von einer geringeren Anzahl kurzwelliger Photonen gewandelt. Eine Ausnahme ist der Fall, wo die geringe Energie einer Gitterschwingung ins emittierte Photon mit einfließt. In den anderen Fällen werden für die Wandlung zu einem kurzwelligen Photon eine größere Anzahl an langwelligen Photonen benötigt. Das Erfordernis, dass mindestens zwei Photonen innerhalb kurzer Zeit (der Zeitraum der jeweiligen Lebensdauer des angeregten Zustandes) auf einen kleinen Ort (der jeweilige Wirkungsquerschnitt) der möglichen Wellenlängenwandlung eintreffen, zeigt, dass diese Vorgänge sehr von der verfügbaren Photonendichte abhängen.

Für einige Möglichkeiten zur Niederkonversion von Licht ist ebenso die Absorption zweier oder mehrerer Photonen nötig. Beispielsweise kann ein kurzwelliges Photon zwar in ein Photon geringerer Energie gewandelt werden, wenn das emittierte Photon auch mehr als die Hälfte der Energie des ursprünglich absorbierten Photons aufweist, allerdings zu dem Preis, dass die Energiedifferenz entweder als Wärme oder in einem Photon wesentlich größerer Wellenlänge verloren geht. Um Photonen zur Gänze zu solchen Photonen zu wandeln, die jeweils mehr als die Hälfte der Energie der kurzwelligen, absorbierten Photonen aufweisen, und das im Idealfall ohne Wärmeverluste, sind Prozesse, die mehrere Photonen umfassen, unumgänglich. So können beispielsweise zwei Photonen geringer Wellenlänge in drei Photonen größerer Wellenlänge gewandelt werden, wobei die emittierten Photonen (im Idealfall) zwei Drittel der Energie der ursprünglich absorbierten Photonen aufweisen.

Je nach verfügbarer Lichtquelle kann das Erfordernis von zwei oder mehrerer Photonen in einem engen Zeitfenster auf kleinem Raum ein Problem darstellen, das die technische

Verwendung der genannten Vorgänge substantiell beeinträchtigt. Sei es, dass die Leistung eines Bauteils aus Gründen der Sparsamkeit und Kosteneffizienz so gering wie möglich gehalten werden, soll, oder dass es sich um eine nicht veränderbare Lichtquelle handelt, wie in der Photovoltaik, wo Sonnenlicht mit einer überschaubaren Leistungsdichte auftrifft. Speziell in der Photovoltaik kann die Konzentration des Sonnenlichts über entsprechende Linsensysteme nur bis zum maximalen Leistungsdurchsatz der entsprechenden Solarzellen gesteigert werden.

Weiters ist die Verwendung von Konzentratorsystemen abhängig von der durchschnittlichen Sonneneinstrahlung - zum Teil wegen nötiger Nachführungssysteme und dem erhöhten Raumbedarf - in der Regel nicht wirtschaftlich. Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, manipuliert und insbesondere in ihrer Frequenz gewandelt werden kann, ohne die oben genannten Probleme der bekannten

Vorrichtungen hervorzurufen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung einfach hergestellt werden kann, ohne die oben genannten Probleme der bekannten Herstellungsverfahren hervorzurufen.

Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Manipulation, insbesondere Frequenzwandlung, von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht, gelöst, umfassend Komponenten zur Strukturbildung, die in zumindest annähernd dichter, vereinzelte oder verbundene Zwischenräume aufweisender Packung angeordnet sind, wobei in den Zwischenräumen und/oder in den Komponenten zur Strukturbildung eingelagerte

Komponenten angeordnet sind, wodurch die Position dieser eingelagerten Komponenten in einem kleinen lokalen Bereich festgelegt ist, wobei die Komponenten zur Strukturbildung und die eingelagerten Komponenten derart ausgeführt und angeordnet sind, dass die eingelagerten Komponenten die zumindest annähernd dichte Packung höchstens geringfügig stören, wobei die Komponenten zur Strukturbildung und/oder die eingelagerten Komponenten derart ausgeführt und positioniert sind, dass sie eine Manipulation, insbesondere eine

Frequenzwandlung, der elektromagnetischen Strahlung herbeiführen oder unterstützen.

Die eingelagerten Komponenten können derart ausgeführt und positioniert sein, dass sie durch Streuung, insbesondere resonante Streuung, eine Änderung der freien Weglänge der elektromagnetischen Strahlung bewirken.

Bei Verwendung metallischer Partikel als eingelagerte Komponenten, als strukturbildende Komponenten, oder als Zwischenmedium (sogenannte "inverse Opalstruktur") kann die Eigenschaft der Reflexion maßgeblich zur Manipulation der elektromagnetischen Strahlung beitragen.

Die Komponenten zur Strukturbildung weisen vorzugsweise eine größere Ausdehnung auf als die eingelagerten Komponenten. Die eingelagerten Komponenten können überwiegend in den Zwischenräumen angeordnet sein.

Die eingelagerten Komponenten können als Streuzentren für Licht, insbesondere als

Nanopartikel, vorzugsweise als Metallpartikel, Quantendots, nichtlineare Kristalle oder

Nanoantennen ausgeführt sein und/oder Metalle oder Ionen der seltenen Erden, resonante Metallpartikel, oder luminiszente organische Farbstoffe umfassen. Die Komponenten zur Strukturbildung und/oder die eingelagerten Komponenten können optisch nichtlineares Material umfassen.

Die Komponenten zur Strukturbildung können in bestimmten Wellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums, vorzugsweise im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts, transparent sein.

Die Zwischenräume können mit einem Füllmedium versehen sein, wobei die eingelagerten Komponenten vorzugsweise Teil des Füllmediums sind.

Die Komponenten zur Strukturbildung können zumindest annähernd kugelförmig sein und in zumindest annähernd dichter Kugelpackung vorliegen.

Die Komponenten zur Strukturbildung können geometrisch regelmäßige Formen aufweisen, insbesondere quaderförmig, würfelförmig, ringförmig, zylinderförmig, stäbchenförmig, hanteiförmig, tetraederförmig, prismaförmig, sternförmig, kugelförmig oder stachelig sein.

Die Komponenten zur Strukturbildung können verformt, insbesondere gestreckt (stäbchenartig), gestaucht (scheibchenartig), abgeplattet, gedreht, abgekantet (an den Ecken), abgekantet (an den Kanten), oder sphärisch (mit konvex oder konkav gewölbten Seitenflächen) ausgeführt sein, oder auch als Mischungen oder Modifikationen dieser Formen ausgeführt sein.

Die Komponenten zur Strukturbildung können Mischungen von gleichen oder unterschiedlichen Formen und möglichen Verformungen sein.

Die Komponenten zur Strukturbildung können zumindest annähernd in einer Kristallstruktur oder einer Quasikristallstruktur angeordnet sein.

Die Komponenten zur Strukturbildung können eine Umhüllung aufweisen, wobei die Umhüllung vorzugsweise eingelagerte Komponenten umfasst.

In der Umhüllung können, vorzugsweise außenliegend, mehrere, vorzugsweise vier bis zwölf, besonders bevorzugt acht, eingelagerte Komponenten vorgesehen sein.

Die eingelagerten Komponenten können als resonante Partikel, vorzugsweise als metallische Partikel umfassend Kupfer, Silber, Gold, Platin und andere Platinmetalle, Aluminium und/oder Quecksilber ausgeführt sein oder diese umfassen. Die Komponenten zur Strukturbildung können als annähernd kugelförmige transparente Partikel mit einem Durchmesser von 50nm bis 500nm, vorzugsweise 100nrn bis 240nm, bevorzugt etwa 160nm, gebildet sein, die eine dichte Kugelpackung mit annähernd tetraedisch geformten Zwischenräumen bilden und die eingelagerten Komponenten können überwiegend als

Metallpartikel, vorzugsweise als Silberpartikel ausgeführt sein.

Die eingelagerten Komponenten können derart ausgeführt sein, dass in den Zwischenräumen jeweils mehrere, vorzugsweise zwei bis vier eingelagerten Komponenten Platz finden, ohne die Packung der Komponenten zur Strukturbildung maßgeblich zu verändern.

Die Komponenten zur Strukturbildung können zumindest teilweise eingelagerte Komponenten umfassen, wobei die eingelagerten Komponenten als metallischer Kern, vorzugsweise umfassend Silber, mit einem Durchmesser von 2nm bis 1 10nm, vorzugsweise von 8nm bis 50nm, bevorzugt etwa 24nm, ausgeführt sein können.

Die eingelagerten Komponenten können geometrisch regelmäßige Formen aufweisen, insbesondere quaderförmig, würfelförmig, ringförmig, zylinderförmig, stäbchenförmig, hanteiförmig, tetraederförmig, prismaförmig, sternförmig, kugelförmig, oder stachelig.

Die eingelagerten Komponenten können verformt, insbesondere gestreckt (stäbchenartig), gestaucht (scheibchenartig), abgeplattet, gedreht, abgekantet (an den Ecken), abgekantet (an den Kanten), sphärisch (konvex oder konkav gewölbte Seitenflächen) ausgeführt sein, oder Mischungen dieser Formen oder Modifikationen sein.

Die eingelagerten Komponenten können Mischungen von gleichen oder unterschiedlichen Formen und möglichen Verformungen sein, wobei es sich um gleiche oder andere Mischungen als bei den strukturgebenden Komponenten handeln kann.

Die eingelagerten Komponenten können als vorzugsweise zylindrische Metallstäbchen ausgeführt sein oder vorzugsweise zylindrische Metallstäbchen umfassen.

Der Durchmesser der Metallstäbchen kann etwa dem Inkreis des Zwischenraumes zwischen den Komponenten zur Strukturbildung entsprechen, wenn diese in zumindest annähernd dichter Packung angeordnet sind. Die Länge der Metallstäbchen kann etwa dem durchschnittlichen Radius der Komponenten zur Strukturbildung entsprechen.

Die Erfindung umfasst weiters Vorrichtungen, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfassen oder denen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zugeordnet ist. Dazu zählt beispielsweise ein Konzentrator, ein Wellenleiter oder eine Schichtstruktur mit einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung, sowie eine Solarzelle, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Weiters umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Manipulation, insbesondere zur Frequenzwandlung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht, umfassend folgende Schritte: (a) Bereitstellung Komponenten zur Strukturbildung, (b) Bereitstellung von eingelagerten Komponenten, (c) Durchmischung der Komponenten zur Strukturbildung mit den eingelagerten Komponenten zur Formung eines Gemisches, (d) Behandlung und Verdichtung des Gemisches derart, dass die Komponenten zur Strukturbildung in zumindest annähernd dichter, vereinzelte oder verbundene Zwischenräume aufweisender Packung zu liegen kommen, wobei in den Zwischenräumen eingelagerte Komponenten angeordnet sind, wodurch die Position dieser eingelagerten Komponenten in einem kleinen lokalen Bereich festgelegt wird, und die eingelagerten Komponenten die annähernd dichte Packung höchstens geringfügig stören, wobei die eingelagerten Komponenten derart ausgeführt und positioniert sind, dass sie eine Manipulation, insbesondere eine Frequenzwandlung, der elektromagnetischen Strahlung herbeiführen oder unterstützen.

Die eingelagerten Komponenten und/oder die Komponenten zur Strukturbildung können in einem Füllmedium bereitgestellt werden, oder dem Gemisch kann ein Füllmedium hinzugefügt werden.

Die Durchmischung in Schritt c) kann durch physikalische Prozesse, insbesondere

mechanische Erschütterung, bevorzugt Ultraschallbehandlung, erfolgen. Die Verdichtung in Schritt d) kann durch physikalische Prozesse, vorzugsweise Unterdruckbehandlung oder Überdruckbehandlung, und/oder chemische Prozesse erfolgen. Die eingelagerten

Komponenten können als Kondensations-, Kristallisations-, und/oder Abscheidungskeime bereitgestellt werden. Die Kondensations-, Kristallisations-, und/oder Abscheidungskeime können im Schritt c) mit den Komponenten zur Strukturbildung durchmischt werden, und im Schritt durch Kondensations-, Abscheidungs- und/oder Kristallisationsbehandlung ihr Volumen derart vergrößern, dass sie zwischen den Komponenten zur Strukturbildung unbeweglich fixiert werden. In Schritt c) und/oder in Schritt d) kann der Druck des Füllmediums zunächst verringert werden, um die darin befindlichen eingelagerten Komponenten besser zu verteilen. Das Füllmedium kann als Feststoff, Flüssigkeit, Gas, oder Flüssigkeit mit darin gelöstem Gas, insbesondere als Lösungsmittel, ausgeführt sein.

Es wird vorzugsweise eine Struktur benutzt, die aus einer zumindest annähernd dichten Packung von Partikeln (strukturgebende Komponenten) besteht, wobei deren dichte Packung Lücken aufweist. Dies ist beispielsweise bei der Struktur des Opals gegeben, bei dem eine dichte Packung kugelförmiger Partikel vorliegt, die entsprechende Lücken aufweist. Die strukturgebenden Komponenten bilden vorzugsweise eine periodisch oder quasiperiodisch angeordnete Struktur.

In die Lücken werden Partikel (eingelagerte Komponenten) eingebracht, die aufgrund der Anordnung der Lücken nur bestimmte Lagen, und damit nur bestimmte Abstände und wechselseitige Lagegeometrien einnehmen können. Die eingelagerten Komponenten verändern bei geeigneter Anordnung die Struktur und Periode oder Quasiperiode der strukturgebenden Komponenten vorzugsweise nicht maßgeblich.

Die relative Größe der eingelagerten Komponenten soll die Ausbildung der dichten Packung der strukturgebenden Komponenten höchstens geringfügig verhindern. Weiters kann durch günstige Wahl des Größenverhältnisses, und abhängig von der Form der jeweiligen

Komponente, bestimmt werden, wieviele Komponenten maximal in einer Lücke Platz finden können. Dabei kann es, je nach Anwendung, von Vorteil sein, möglichst viele Komponenten gegebener relativer Größe in jeweils einer Lücke zu platzieren. Umgekehrt kann es auch von Vorteil sein, möglichst wenige Komponenten in einer Lücke zu platzieren, oder eine optimale, mittlere Anzahl von Komponenten anzustreben.

Die eingelagerten Komponenten sind nach Größe und Form vorzugsweise so bemessen, daß sie bereits aufgrund der räumlichen Verhältnisse ihren Platz innerhalb der periodischen (oder quasiperiodischen) Struktur nicht verlassen können. Dies kann durch Einschließung in einer Lücke zwischen mehreren strukturgebenden Komponenten geschehen, durch eine

entsprechende Größe, die den Durchgang von einer Lücke in eine benachbarte Lücke verhindert, oder durch entsprechende Abmessungen, welche beispielsweise eine längliche Komponente, die innerhalb zweier benachbarter Lücken und dem entsprechenden Durchgang positioniert ist, daran hindern, eine andere Position oder eine ähnliche Position an anderer Stelle in der periodischen (oder quasiperiodischen) Struktur einzunehmen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die in den Lücken fixierten Komponenten nicht oder nur innerhalb der Lücken wandern können, bzw. in und zwischen mehreren Lücken fixiert sind. Befinden sich mehrere Komponenten in derselben Lücke, ist der Abstand zwischen zwei eingelagerten Komponenten vorzugsweise kleiner als die längste Strecke innerhalb einer Lücke.

Bei Betrachtung zweier beliebiger eingelagerter Komponenten in jeweils einer unterschiedlichen Lücke ist der Abstand zwischen diesen Komponenten vorzugsweise mindestens so groß wie die kürzeste Entfernung der beiden betrachteten Lücken, aber vorzugsweise höchstens so groß wie die längst mögliche Strecke zwischen den zwei Lückenhüllen.

Die Abstände der Lücken treten in der Regel periodisch oder quasi-periodisch auf, womit auch oben beschriebene kürzeste Entfernungen zwischen zwei Lücken und längste Entfernungen zwischen zwei Lückenhüllen jeweils mit einem Vielfachen einer Gitterkonstante der jeweiligen Raumrichtung anwächst.

Durch die regelmäßige Anordnung der Lücken in einem entsprechenden Gitter ergibt sich somit eine wesentlich genauere Bestimmbarkeit der wechselseitigen Abstände der eingelagerten Komponenten untereinander, als dies bei zufälliger Verteilung der eingelagerten Komponenten (selbst bei derselben durchschnittlichen Häufigkeit) der Fall wäre.

Durch geeignete Abmessungen der eingelagerten Komponenten kann die maximale Anzahl von eingelagerten Komponenten innerhalb einer Lücke begrenzt werden. Da sich alle eingelagerten Komponenten auf genau das Gesamtlückenvolumen verteilen, kann die Dichte der

eingelagerten Komponenten innerhalb der Lücken statistisch gut eingeschätzt werden. Bei geeignet hoher Dichte an eingelagerten Teilchen kann ihre wahrscheinliche Anordnung innerhalb einer Lücke gut abgeschätzt werden, weil sich die eingelagerten Komponenten bei steigender Größe oder Anzahl vermehrt an der Lückenhülle orientieren müssen.

Es können mehrere Arten von eingelagerten Komponenten unterschiedlicher Größe in die Lücke der strukturgebenden Komponenten eingebracht werden, wobei die größere Art der eingelagerten Komponenten einen größeren Teil der Lücke einnimmt und der kleineren Art der eingelagerten Komponenten wiederum eine räumliche Struktur vorgibt. Das Herstellungsverfahren kann umfassen die Schritte der Zubereitung und Durchmischung der Komponenten in geeignetem Mengenverhältnis, und Formierung der Struktur durch: Schüttung, Verminderung bzw. Veränderung des Zwischenmediums durch chemische Prozesse, die zu höherer Dichte führen, physikalische Prozesse wie Verdunstung oder Verdampfung,

Saugwirkung bzw. Unterdruck, oder Presswirkung bzw. Überdruck, mechanische

Erschütterungen, mechanische Verdichtung, Verdichtung durch Beschleunigung, Ultraschall, oder einer Kombination der vorstehenden Mechanismen.

Das Herstellungsverfahren kann ebenso umfassen die Schritte der Zubereitung und

Durchmischung der Komponenten, wobei die kleinen Komponenten zumindest zum Teil nur als Vorstufen (beispielsweise als Kondensationskerne) eingebracht werden, wobei diese Vorstufen von einer Größe sein können, die einen Durchgang zwischen Lücken der fertigen Struktur entweder erlaubt oder nicht erlaubt. Bildung der Struktur wie oben, und Bildung der fertigen kleinen Komponenten in den Lücken durch Kondensation, Kristallisation, Abscheiden aus Lösung, Abscheiden von Stoffen aus den Vorstufen der kleinen Komponenten an das umgebende Medium, oder an die großen, strukturgebenden Komponenten, Aufnahme der kleinen Komponenten von Stoffen aus dem umgebenden Medium, oder aus den großen, strukturgebenden Komponenten.

Neben den Fertigungsmöglichkeiten durch Ultraschall oder Entzug des Zwischenmediums kann noch ein besonderes Verfahren eingesetzt werden: während der Anlagerung der großen strukturgebenden Komponenten zu einer dichten Masse und damit zum Teil zur gewünschten dichten Packung wird der Druck des Zwischenmediums folgendermaßen geregelt: Nachdem die angestrebte dichte Packung der strukturgebenden Komponenten zum Teil erreicht ist, wird der Druck des Zwischenmediums verringert; das Zwischenmedium dehnt sich

dementsprechend aus, und generiert zusätzliches Volumen, direkt proportional zum Volumen des jeweilig vorhandenen Volumens an Lösungsmittel. In jenen Lücken, in denen sich mehr der kleinen Komponenten befinden, findet sich ein entsprechend geringeres Volumen an

Zwischenmedium - damit kann bei passender Druckverringerung genau jene Lücken "geöffnet" werden (durch das angestiegene Volumen des darin befindlichen Zwischenmediums), die eine zu geringe Menge an kleinen Komponenten beinhalten. Voraussetzung für dieses Vorgehen ist die Wahl eines geeigneten Zwischenmediums.

Besonders in Frage kommen Flüssigkeiten, Gase, oder Flüssigkeiten, die Gase mit

entsprechendem Partialdruck gelöst enthalten. Auch chemische Reaktionen kommen für die gezielte Erhöhung des Drucks des Zwischenmediums innerhalb der Lücken in Frage. Vorzugsweise ist der Raum zwischen den großen, strukturbildenden Komponenten zur Gänze mit kleinen Komponenten, oder zusätzlich zu den kleine Komponenten mit einem

Zwischenmedium gefüllt. Ein Zwischenmedium kann während der Strukturbildung, während einer etwaigen Bildung, Umbildung, oder Umstrukturierung der kleinen Komponenten, im fertigen Zustand vorhanden sein. Das Zwischenmedium kann gasförmig, flüssig, oder fest sein. Es kann seinen Aggregatszustand verändern, oder auch eine Mischung darstellen

(beispielsweise ein in Flüssigkeit gelöstes Gas). Es können verschiedene Zwischenmedien zur Anwendung kommen, wobei diese durch Austausch, chemische Veränderung,

Materialaustausch mit den großen, strukturbildenden Komponenten, Materialaustausch mit den kleinen Komponenten oder ihren Vorstufen, oder thermische Veränderung, ausgetauscht oder verändert werden können.

Die Komponenten zur Strukturbildung können geometrisch regelmäßige Formen aufweisen, insbesondere quaderförmig, würfelförmig, ringförmig, zylinderförmig, stäbchenförmig, hanteiförmig, tetraederförmig, prismaförmig, sternförmig, kugelförmig oder stachelig sein. Die Komponenten zur Strukturbildung können verformt, insbesondere gestreckt (stäbchenartig), gestaucht (scheibchenartig), abgeplattet, gedreht, abgekantet (an den Ecken), abgekantet (an den Kanten), oder sphärisch (mit konvex oder konkav gewölbten Seitenflächen) ausgeführt sein, oder auch als Mischungen oder Modifikationen dieser Formen ausgeführt sein.

Die Komponenten zur Strukturbildung können Mischungen von gleichen oder unterschiedlichen Formen und möglichen Verformungen sein. Strukturgebende Komponenten, sowie auch eingelagerte Komponenten können eine Kern - Hüllen - Struktur aufweisen, wobei Kern und Hülle, bzw. mehrere Hüllen untereinander gleiche Form oder unterschiedliche Form aufweisen können. Die großen, strukturgebenden Komponenten können in einer dichten Kugelpackung, einer Packung, die einem Kristall entspricht, einer Packung, die eine Quasiperiode im Sinne einer dreidimensionalen Penrose- Parkettierung entspricht, angeordnet sein, wobei die entsprechenden Gitterplätze genau, mit Abweichungen, oder bei verzerrtem, gestrecktem, gestauchtem oder gedrehtem Gitter belegt sein können. Die dadurch entstehenden Lücken können voneinander gänzlich getrennt, oder kommunizierend sein, das heißt, über Kanäle miteinander verbunden (wie bei einer dichten Kugelpackung)

Auch können Anordnungen der großen, strukturgebenden Komponenten an Gittern mit nur wenigen Gitterperioden (bei Anordnung im Quasikristall entsprechend: wenige Quasiperioden) erfolgen, das heißt, die Dimensionierung der beschriebenen Struktur kann in einer Dimension (Stange, Stab, auch gewunden / gebogen / gedreht), in zwei Dimensionen (Fläche, auch verformt) beschränkt sein, in drei Dimensionen und in Richtung einer solchen möglichen Beschränkung eine Tiefe von nur wenigen Gitterperioden (bzw. Quasiperioden) haben. Die eingelagerten Komponenten, die durch die Packung der großen, strukturgebenden

Komponenten strukturiert werden, können in den Lücken, in den großen, strukturgebenden Komponenten (beispielsweise als Kern oder als Kerne) positioniert sein.

Die Einbringung der kleinen Komponenten in die Lücken der dichten Packung der großen Komponenten kann prinzipiell auf mehreren Wegen erfolgen: durch Vermengung der großen Komponenten mit den Kleinen, und Formung der Struktur (z.B. durch Schüttung, Verminderung des Zwischenmediums, mechanische Erschütterungen oder Ultraschall), sodass die kleinen Komponenten in den Lücken zu liegen kommen, durch Einbringung in Hüllen der großen, strukturgebenden Komponenten, verbunden mit Kompression, oder Abtragung dieser Hülle durch Einbringung von Vorstufen der kleinen Komponenten in Hüllen der großen,

strukturgebenden Komponenten, verbunden mit Kompression, oder Abtragung dieser Hülle, durch Einbringung von Vorstufen der kleinen Komponenten in eine bereits fertige Struktur, wenn (geometrisch, wie bei einer Kugelpackung, oder chemisch) Kanäle offenstehen, die das Passieren von diesen Vorstufen erlauben, und Ausprägung der Komponenten in den Lücken der fertigen Struktur.

Ebenso vorgesehen ist die Einbringung der fertigen kleinen Komponenten in die fertige Struktur der großen Komponenten, wenn die Kanäle so groß sind, dass sie ein Passieren der fertigen kleinen Komponenten gestatten, wenn die kleinen Komponenten sich ausreichend stark in den Lücken anreichern, wenn eine höhere Konzentration an kleinen Komponenten in den Lücken vorliegt (auch, wenn man nur den den kleinen Komponenten zur Verfügung stehenden Raum zur Berechnung der Konzentration heranzieht), oder wenn noch eine geeignete

Nachbearbeitung erfolgt, die ausreichend sicherstellt, dass die kleinen Komponenten sich großteils nur in den Lücken befinden (durch Kompression der Struktur der großen

Komponenten, durch Anlagerung von Material an (unter anderem) den großen Komponenten).

Bei Einbringung von kleinen Komponenten oder deren Vorstufen in die fertige Struktur, oder im Zuge der Bildung der Struktur.kann mit wenig Aufwand eine schichtweise Bildung erfolgen, sodass kontinuierlich, oder mit scharfen Schichtgrenzen Komponenten mit anderen

Eigenschaften (Material, Form, Größe) zur Anwendung kommen, sodass die fertige Vorrichtung bezüglich ihrer Eigenschaften ein Gefälle bzw. einen Gradienten aufweist, möglicherweise proportional zur Schichtdicke. Die eingelagerten und oder strukturgebenden Komponenten können, durch die Wahl ihres Materials, eine oder mehrere der folgenden Funktionen bewerkstelligen: Lichtstreuung bzw. Anderson-Lokalisation von Licht, Frequenzwandlung durch ihr Halbleitermaterial, beispielsweise als Quantendot, Frequenzwandlung durch ihr optisch nicht lineares Material, Frequenzwandlung durch ihre Resonanzfähigkeit mit elektromagnetischen Wellen, das heißt, durch ihre

Eigenschaft, als entsprechende Nanoantenne allein oder mit anderen Komponenten der Struktur zu wirken.

Als Streupartikel kommen Komponenten in Frage, die aus einem Material hergestellt sind, das mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: transparent, aber unterschiedlicher Brechungsindex als das umgebende Material, intransparent, intransparent und reflektierend, wobei eingelagerte Komponenten, die keine dieser genannten Eigenschaften aufweisen, bei ansonsten geeigneter Beschaffenheit auch nur zur Frequenzwandlung beisteuern können, oder auch zur Strukturierung anderer eingelagerter Komponenten innerhalb einer Lücke.

Eine Verdichtung von Licht wird bewerkstelligt durch streuende Komponenten. Die möglichen Positionen sind durch die Strukturierung der großen, strukturbildenden Komponenten auf bestimmte Bereiche beschränkt. Durch eine nahezu periodische Strukturierung wird eine schärfere Verteilung der vorhandenen durchschnittlich freien Weglängen erreicht, als dies bei einem un strukturierten Medium mit Streupartikeln der Fall wäre.

Einrichtungen zur Frequenzwandlung können sich in der Gesamtstruktur an allen geeigneten Orten finden. Abhängig von ihrer Beschaffenheit hinsichtlich Transparenz und Formgebung bzw. Größe: nicht transparente Materialien wie Halbleiter oder Metalle werden in den eingelagerten Komponenten zur Anwendung gebracht, transparente Materialien wie optisch nicht lineare Materialien können sowohl in den großen, strukturgebenden Komponenten als auch in den eingelagerten Komponenten verwendet werden. Bei besonderer Ausführung der Struktur können auch die großen, strukturgebenden Komponenten, oder das Zwischenmedium intransparent, aber ausreichend reflektierend ausgeführt sein.

Es können auch mehrere Arten der Frequenzwandlung in einer Struktur angewendet werden: Metallpartikel und Halbleiterpartikel als strukturierte eingelagerte Komponenten, optisch nicht lineares Material als große strukturbildende Komponenten, nur zwei der genannten

Mechanismen miteinander kombiniert, Anwendung eines einzelnen der genannten

Mechanismen zur Frequenzwandlung, Nutzung einer anderen Wirkweise zur

Frequenzwandlung an geeigneter Stelle der Struktur alleine, oder in Kombination mit einem oder mehreren der genannten Mechanismen zur Frequenzwandlung. Auch kann die Frequenzwandlung nur durch optisch nichtlineares Material erfolgen, aus dem die großen, strukturgebenden Komponenten gefertigt sind, und die eingelagerten Komponenten sind transparent und bewerkstelligen Streuung nur durch einen Brechungsindex, der sich vom umgebenden Medium unterscheidet.

Die entsprechenden Mechanismen zur Frequenzwandlung können mit besonderer Optimierung des Streuverhaltens bei besonderen Frequenzen, oder ohne eine solche Optimierung erfolgen, wobei eine Optimierung so erfolgen kann, das Licht einer bestimmten Frequenz oder in einem bestimmten Frequenzbereich besonders stark verdichtet wird, relativ wenig verdichtet wird, wobei in derselben Struktur eine Optimierung auf ein unterschiedliches Verdichtungsverhalten bei unterschiedlichen Wellenlängen erfolgen kann.

Besonders bietet sich eine mehrfache Optimierung an, damit Licht in einem bestimmten gewünschten Frequenzbereich die Struktur schnell verlassen kann, und Licht in einem zweiten bestimmten, gewünschten Frequenzbereich soweit wie möglich verdichtet wird, um es effizient der Frequenzwandlung zuzuführen.

Die Struktur als Vorrichtung zur relativen Verdichtung von Licht und Erhöhung der relativen Leistungsdichte kann mit Frequenzwandlung, ohne Frequenzwandlung, oder mit einer

Frequenzwandlung, die nicht direkt in der Struktur selbst verortet ist, sondern beispielsweise die Begrenzung der Struktur darstellt, sowie mit anderen Mechanismen, die sich beispielsweise als eingelagerte Komponenten in der gesamten Struktur darstellen lassen, verwendet werden.

Die Struktur kann verwendet werden, um Licht jener Wellenlängen innerhalb der Struktur zu lokalisieren, welche im besonders geeigneten Absorptionsspektralbereich der zur

Frequenzwandlung geeigneten Partikel liegen. Die Struktur kann auch verwendet werden, um Licht jener Wellenlängen an der Struktur zu reflektieren, die bei den zur Frequenzwandlung geeigneten Partikeln nicht zu einer beabsichtigten Frequenzwandlung geeignet sind.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt anhand der im Folgenden beschriebenen Wirkmechanismen.

Zunächst kann eine Verdichtung von Licht durch Streuung und Wegverlängerung erfolgen. Vorzugsweise werden dafür transparente strukturbildende Komponenten, kein oder

transparentes Zwischenmedium, sowie eingelagerte Komponenten mit ähnlicher oder geringerer Größe als der Wellenlänge des Lichtes eingesetzt. Bei Agglomeration mehrerer eingelagerter Komponenten in Lücken ist die Agglomerationsgröße bzw. Lückengröße eine relevante Größe, welche die Wellenlänge des zu verdichtenden Lichts nicht überschreiten darf. Weiters kann Verdichtung von Licht durch Anderson-Lokalisation des Lichtspektrums erfolgen. Anderson-Lokalisation von Licht bezieht sich auf die konstruktive Interferenz der Wellenfunktion eines Photons von zwei nichtidentischen, zeitreversiblen Wegen. Dieses Verhalten tritt insbesondere dann auf, wenn die durchschnittlich freie Weglänge des Lichts in einem besonderen Verhältnis zu dessen Wellenlänge steht. Die Struktur wird in diesem Fall vorzugsweise so angeordnet, dass die durchschnittliche freie Weglänge des Lichts bei der am meisten zu verdichtenden Wellenlänge, multipliziert mit zwei Pi, möglichst ähnlich oder gleich groß der hauptsächlich zu verdichtenden Wellenlänge ist.

Vorzugsweise werden die eingelagerten Komponenten mit definiertem Abstand zwischen benachbarten Lücken angeordnet, sodass dadurch ein geeigneter Abstand für Reaktionen unter Beteiligung mehrerer Komponenten erreicht ist. Die Strukturierung des Abstandes von Komponenten zweier benachbarter Lücken ist in jenen Fällen interessant, wenn der zu erreichende optimale Abstand für die beabsichtigte Reaktion relativ groß ist, oder wenn der Abstand zwischen zwei Lücken relativ klein ist, jeweils verglichen mit der Größe einzelner Komponenten.

Es kann ein Problem vermieden werden, das auftritt, wenn die Größenverhältnisse so gewählt werden, das maximal eine Komponente Platz in einer Lücke findet, und wenn weiters versucht wird, die entsprechende Struktur durch eine Mischung bereits gänzlich vorgefertigter

Komponenten und durch Kompression zu erzeugen. Wird in einem solchen Fall ein

Mischungsverhältnis gewählt, sodass die Anzahl der kleinen Komponenten identisch oder zumindest nahezu identisch ist mit der Anzahl der sich bildenden Lücken, dann führt jedes zufällige Auftreten von zwei oder mehr kleinen Komponenten zu einem Gitterfehler der zu bildenden Struktur. Umgekehrt bleiben dann genau so viele Lücken ohne eingelagerte

Komponenten, wie kleine Komponenten in den Gitterfehlern zu finden sind, abzüglich jeweils einer Komponente pro Lücke.

Durch eine starke Verringerung der verhältnismäßigen Anzahl an Komponenten kann zwar das Auftreten von Gitterfehlern zunehmend verringert oder gar vermieden werden, allerdings nur zu dem Preis, daß vermehrt Lücken leer bleiben. Eine Erhöhung der Anzahl an Komponenten stellt zwar zunehmend das Vorhandensein mindestens einer Komponente in jeder Lücke sicher, allerdings zum Preis einer weiteren Vermehrung von Gitterfehlern. Eine hohe Gleichmäßigkeit von mit kleinen Komponenten besetzten Lücken ist vor allem für die Verdichtung durch Licht erforderlich, weil nur so bestimmte, in berechenbarer Verteilung vorliegende Abstände zwischen Streuzentren (den kleinen Komponenten) produziert werden können, wobei die Verteilung der Abstände wesentlich einheitlicher vorliegt, als beispielsweise in einem unorganisierten Medium zur Streuung. Die Lösung dieses Problems geschieht dadurch, dass das durchschnittliche Verhältnis von Lückenanzahl, Lückengröße und Lückenform, Anzahl der kleinen Komponenten und deren Größe und Form so gewählt wird, dass bei einer starken Abweichung vom statistischen Durchschnitt der Anzahl der kleinen Komponenten pro Lücke dennoch sich mindestens ein Komponenten in einer Lücke befindet, auf der anderen Seite nicht so viele Komponenten in einer Lücke aufeinandertreffen, daß damit das Lückenvolumen (oder in zumindest einer Dimension die entsprechende Weite der Lücke) überschritten wird.

Wenn eine Lücke maximal n Komponenten beinhalten kann, und die Anzahl der kleinen Komponenten zu den verfügbaren Lücken so gewählt ist, dass durchschnittlich p Komponenten auf eine Lücke kommen, so lösen statistische Häufungen von bis zu n Komponenten keinen Gitterfehler aus, das heißt, n - p ist die Anzahl kleiner Komponenten innerhalb einer Lücke, um die die durchschnittliche Anzahl kleiner Komponenten innerhalb einer Lücke überschritten werden kann, ohne das deshalb ein Gitterfehler auftritt. Umgekehrt bezeichnet p - 1 die Anzahl kleiner Komponenten innerhalb einer Lücke, um die die durchschnittliche Anzahl kleiner Komponenten innerhalb einer Lücke unterschritten werden kann, sodass noch immer eine kleine Komponente innerhalb dieser Lücke als Streuzentrum zur Verfügung steht.

Um Gitterfehler zu minimieren und dennoch leere Lücken zu vermeiden, sind die Dimensionen der kleinen Komponenten so zu wählen, daß möglichst viele in eine Lücke passen, und die Menge der verwendeten kleinen Komponenten ist so zu wählen, daß durchschnittlich weniger kleine Komponenten auf eine Lücke kommen als möglich wäre. Einer statistischen Betrachtung zufolge liegt das Optimum bei der Hälfte (das heißt, durchschnittlich kommen halb so viele kleine Komponenten auf eine Lücke, als maximal Platz in ihr finden können), je nach

Anwendung kann dieses Verhältnis aber über alle Werte zwischen nahe 0% und nahe 100% variiert werden. Die Wahl der Größen und Formen der beiden Komponenten (eingelagerte und strukturgebende) mit Rücksicht darauf, dass möglichst viele in eine Lücke passen, stellt nur ein Optimierungskriterium dar und kann mehr oder weniger beachtet oder gänzlich außer Acht gelassen werden.

Je nach Anwendung kann es erforderlich sein wenige Komponenten in unmittelbarer Nähe zueinander (und damit in einer Lücke) zu positionieren. In diesem Fall muss von einer statistischen Größen- und Anzahloptimierung abgegangen werden. Als guter Mittelweg ist im nachfolgenden Beispiel eine Struktur und die jeweiligen relativen Abmessungen aufgeführt, bei der in einer Lücke maximal vier kleine Komponenten Platz finden, und auf jede Lücke im Durchschnitt 2,5 bzw. 3 Komponenten kommen. Genau so kann die Dimensionierungen von großen, strukturgebenden Komponenten (und damit der Lücken) und der kleinen Komponenten sowie ihre zahlenmäßigen Verhältnisse aufeinander abgestimmt werden, um statistisch sehr häufig eine bestimmte Mindestanzahl kleiner

Komponenten innerhalb einer Lücke sicherzustellen.

Dies ist relevant für die Bildung einer Struktur, die Reaktionen beinhaltet, die mehrere beteiligte Komponenten umfassen. So werden innerhalb einer Lücke eine gut abschätzbare Anzahl an kleinen Komponenten auf engem Raum zusammengebracht, was insbesonders für resonante Komponenten und die Erstellung einer Nanoantenne durch diese Komponenten und ihre nahe Anordnung (oder Verstärkung oder Modifikation ihrer bereits bestehenden Eigenschaften als Nanoantenne) wichtig ist. Auch die Reaktionen zwischen mehreren Komponenten unter anderem Halbleiter-Nanopartikeln werden durch eine definierte Mindestanzahl unterstützt.

Strukturierung von Komponenten mit definiertem Maximalabstand und gegebenenfalls statistisch abschätzbarer wechselseitiger Lage innerhalb einer Lücke ist auf eine solche Weise möglich, sodass dadurch sehr geringe Abstände für entsprechende Reaktionen mit mehreren beteiligten kleinen Komponenten gewährleistet sind. Beispiele dafür sind die Anordnung von resonanten, beispielsweise metallischen Komponenten, zu Nanoantennen, die Anordnung von Halbleiter-Nanopartikel mit minimalen Abständen zur Ermöglichung von Reaktionen mit mehreren beteiligten Komponenten, und die Anordnung von naheliegenden Nanopartikeln teils aus Halbleiterkristallen, teils aus metallischen Kristallen, teils aus Nichtlinearen Kristallen.

Es gibt entsprechende Größenverhältnisse bei gegebenen Lücken- und Komponentenformen, dass eine kleine Reduktion der Lückengröße zu einer Verringerung der Anzahl an maximal platzfindenden Komponenten führen würde.

Wird in solchen Fällen die Lücke durch weniger Komponenten befüllt als maximal Platz finden würden, befinden sich die Komponenten in unmittelbarer Nähe oder in Kontakt zueinander. Dies kann zur Formung verschiedener Dipole und Multipole sowie zur Formung von Strukturen aus Halbleiter oder nichtlinearen Kristallen mit unterschiedlichen Lagen, Längen und Geometrien führen, die für die Frequenzwandlung von Licht geeignet sind.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen, der

Figurenbeschreibung und den Zeichnungen. Ausführungsbeispiele

Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 a - 1 b: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2: eine Anordnung der strukturbildenden und eingelagerten Komponenten gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 3: eine Anordnung der strukturbildenden und eingelagerten Komponenten gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4: ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 5: eine Anordnung der strukturbildenden und eingelagerten Komponenten gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels;

Fig. 6: eine Anordnung der strukturbildenden und eingelagerten Komponenten gemäß eines sechsten Ausführungsbeispiels;

Fig. 7a - 7b: ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 8a - 8c: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur

Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 a und 1 b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Frequenzwandlung. Komponenten zur Strukturbildung 1 in Form von sphärischen transparenten Komponenten sind in dichter Kugelpackung angeordnet. Die Anordnung in dichter

Kugelpackung bewirkt das Vorhandensein von Zwischenräumen 3. In den Zwischenräumen 3 der Komponenten zur Strukturbildung 1 sind eingelagerte Komponenten 2 angeordnet.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei in den Zwischenräumen 3 mehrere, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier, eingelagerte Komponenten angeordnet sind.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei in den Zwischenräumen 3 ein Füllmedium 4 vorgesehen ist, und die eingelagerten Komponenten 2 Teil des Füllmediums 4 sind.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Komponenten zur Strukturbildung 1 nicht sphärisch, sondern quaderförmig mit abgerundeten Ecken ausgeführt sind. Wiederum bilden sich bei dichter Packung der Komponenten zur Strukturbildung 1 Zwischenräume 3, in denen die eingelagerten Komponenten 2 angeordnet sind. Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Komponenten zur Strukturbildung 1 einzelne eingelagerte Komponenten 2 umfassen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden einzelne eingelagerte Komponenten 2 den Kern einzelner Komponenten zur Strukturbildung, und es sind zusätzlich in den Zwischenräumen 3 eingelagerte Komponenten 2 angeordnet.

Fig. 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Komponenten zur Strukturbildung 1 eine Umhüllung 5 aufweisen, und einzelne eingelagerte Komponenten 2 ein Teil der Umhüllung 5 sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in den Zwischenräumen 3 keine eingelagerte Komponenten 2 angeordnet.

Fig. 7a - 7b zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei Fig. 7b ein Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in Fig. 7a ist. Im vorliegenden

Ausführungsbeispiel sind sphärische Komponenten zur Strukturbildung 1 in dichter

Kugelpackung angeordnet und bilden Zwischenräume 3. In den Zwischenräumen 3 sind eingelagerte Komponenten 2 in Form von zylindrischen Metallstäbchen 6 angeordnet.

Fig. 8a - 8b zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur

Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zunächst werden die Komponenten zur Strukturbildung 1 in dichter Packung angeordnet, wobei eine teilweise ungleichmäßige

Verteilung der eingelagerten Komponenten 2 vorliegt. Die eingelagerten Komponenten 2 sind in einem Füllmedium 4 angeordnet. Um die Verteilung der eingelagerten Komponenten 2 zu homogenisieren, wird zunächst ein Unterdruck erzeugt. Dies führt dazu, dass sich jene

Zwischenräume 3, die zur Gänze mit dem Füllmedium 4 befüllt sind, stärker ausdehnen, als jene Zwischenräume 3, die teilweise mit eingelagerten Komponenten 3 befüllt sind. Somit öffnen sich Verbindungswege zwischen den Komponenten zur Strukturbildung, und einzelne eingelagerte Komponenten 2 wandern in die leerstehenden Zwischenräume 3. Danach wird der Unterdruck wieder entfernt, die Komponenten zur Strukturbildung nehmen ihre ursprüngliche, dichte Position ein, und es stellt sich eine Verteilung an eingelagerten Komponenten 2 ein, die wesentlich homogener ist als im Ausgangszustand. Dieser Vorgang kann während der

Strukturbildung beliebig oft wiederholt werden. Bei sphärischen Partikeln als Komponenten zur Strukturbildung gelten folgende Größenverhältnisse: Haben eingelagerte sphärische

Nanopartikel, die zwischen den strukturbildenden Sphären liegen, eine Größe kleiner als 7,735% des Durchmessers der strukturgebenden Komponenten, so sind sie zwischen den strukturgebenden Komponenten frei beweglich; das heißt, sie können die Engstellen zwischen drei benachbarten Sphären passieren. Weisen sie einen Durchmesser größer als 7,735%, so sind sie in einer "Kaverne", das heißt, einer Lücke bzw. einem Zwischenraum, begrenzt durch vier strukturbildende Komponenten und vier solcher Engstellen, gefangen. Weisen die sphärischen Nanopartikel einen größeren Durchmesser als 22,474% der strukturgebenden Sphären auf, so ist eine dichteste

Kugelpackung der strukturgebenden Sphären geometrisch nicht mehr möglich, da alle

Nanopartikel Gitterfehlstellen in der Kugelpackung nach sich ziehen.

Zwischen diesen beiden Grenzen der Größe lassen sich Nanopartikel in den Kavernen lokalisieren. Die Abschätzbarkeit und Bestimmbarkeit der Abstände der einzelnen Nanopartikel untereinander ist von dieser Lokalisierung abhängig, und darüber hinaus noch in höherem Detailgrad abhängig: bei Nanopartikel der maximalen Größe (22,474% der strukturgebenden Komponenten) liegt der Mittelpunkt der Nanopartikel immer im Mittelpunkt der Kaverne, wohingegen bei einer Größe nahe der minimalen Größe für eine Lokalisierung innerhalb der Kavernen (7,735% der strukturgebenden Komponenten) das betreffende Nanopartikel sich überall in der Kaverne befinden kann, mit Ausnahme der Engstellen zu den benachbarten vier Kavernen. Es nimmt also die Bestimmbarkeit des Ortes der Nanopartikel mit deren Größe zu (innerhalb der aufgezeigten Grenzen) - wenn man von einem einzelnen Nanopartikel ausgeht.

Bei mehreren in einer Kaverne sich befindlichen Nanopartikeln verhält es sich anders: bei genau zwei (gleich großen) Nanopartikeln innerhalb einer Kaverne liegt eine größenmäßige Obergrenze von ca. 16% vor, bei deren Überschreitung Gitterfehler notwendig auftreten. Diese Obergrenze gilt genauso bei bis zu vier Komponenten, weil diese sich tetraedisch in die

Kaverne einlagern. Vergleichbares gilt für eine größere Anzahl an Nanoteilchen in einer Kaverne, nämlich dass die Größenobergrenze für eine höhere Anzahl von Teilchen stufenmäßig ansteigt, und zwar jeweils gleichbleibt, bis ein neuer Tetraeder mit Sphären dichtester Packung befüllt ist (4, 10, 20, 35...). Zu beachten ist, daß die Einpassung mehrerer Nanopartikel in eine Kaverne nur bei vier Nanopartikel perfekt abgestimmt werden kann, und die

Packungsgenauigkeit mit steigender Zahl der Nanopartikel abnimmt. Werden Nanopartikel einer Größe zwischen ca. 16% und ca. 12% der Größe der strukturgebenden Komponenten verwendet (nach Möglichkeit näher bei 16%), und das in einer Anzahl, dass z.B.

durchschnittlich 2,5 Nanopartikel auf eine Kaverne kommen, so führen die statistisch

wahrscheinlichsten Abweichungen (ein, zwei, drei oder vier Nanopartikel in einer Kaverne) weder zu einer leeren Kaverne, noch zu einem Gitterfehler. Wählt man eine relative Konzentration der Nanopartikel so, daß durchschnittlich drei

Nanopartikel auf eine Kaverne kommen, so weisen die beiden wahrscheinlichsten Abweichung (zwei oder vier Nanopartikel pro Kaverne) darüber hinaus noch die Eigenschaft auf, daß die entsprechenden Nanopartikel in der Kaverne fixiert sind, und ihre Lage zueinander und zu den strukturgebenden Sphären genau bekannt ist (von Lagesymmetrien abgesehen: bei zwei Nanopartikeln gibt es innerhalb der Kaverne sechs verschiedene mögliche Lagen, bei drei Nanopartikeln sind es vier).

Besonders hervorzuheben ist der Aufbau mit mehreren Nanopartikeln in den Kavernen im Zusammenhang mit Nanoantennen: Es ist aus der Literatur bekannt, daß mehrere (z.B. zwei oder drei) sich berührende oder nahe resonante Nanopartikel (aus beispielsweise Ag, Au, Pt, AI) als Nanoantennen wirken, mit frequenzwandelnden Eigenschaften. In einem solche Aufbau finden, abhängig von Material, Umgebungsmaterial, Größe, Anzahl und Anordnung sowie abhängig von Lichtdichte und Lichtwellenlängen sowohl Hochkonversion als auch

Niederkonversion von Licht statt. Manche Prinzipien zur Frequenzwandlung erfordern

Energieübertragung zwischen Nanopartikeln (beispielsweise Halbleiter-Nanokristallen), welche stark von der Entfernung der betreffenden Nanopartikel untereinander abhängig ist.

Durch die hohe Periodizität der Struktur, insbesondere der strukturgebenden Komponenten, können Effekte wie in einem photonischen Kristall auftreten. Besonders durch die Bildung eines photonischen Bandgaps können manche Frequenzen des Lichts vom Eindringen in die Struktur abgehalten werden, und damit Verluste verringert werden, die diesen Frequenzen in der Struktur widerfahren würden. Umgekehrt ermöglicht ein solches Fernhalten mancher

Frequenzen den Einsatz von Materialien in der Struktur, deren Einsatz bei den ferngehaltenen Frequenzen starke Verluste nach sich zöge, die aber mit anderen Frequenzen in erwünschter Weise wechselwirken.

Auch kann durch die Ausbildung einer solchen, einem photonischen Kristall ähnlichen Struktur eine Frequenzwandlung in eine in dieser Struktur verbotenen Frequenz vermindert oder unterbunden werden. Als eine mögliche Ausprägung wird auf eine entsprechende Struktur, bestehend aus strukturgebenden sowie eingelagerten Komponenten noch eine Schicht, bestehend nur aus strukturgebenden Komponenten, aufgebracht, die sich am äußeren Rand der Struktur befindet, um die Wirkung als photonischen Kristall und der damit verbunden Fernhaltung mancher Frequenzen deutlicher auszuprägen oder um weitere Frequenzen auszuweiten. Durch erstens mehrfache Streuung sowie zweitens dem Auftreten von Andersonlokalisationen und drittens der Eigenschaften eines photonischen Kristalls besitzt Licht geeigneter

Wellenlänge innerhalb der beschriebenen Struktur besondere Eigenschaften:

Zunächst legt einfallendes Licht innerhalb der Struktur einen wesentlich längeren Weg zurück, als das bei direktem, nicht gestreutem Lichtdurchtritt der Fall wäre. Einfallendes Licht verbleibt damit entsprechend länger in der Struktur und liegt deshalb innerhalb der Struktur in wesentlich höheren Lichtdichten vor. Zu einem bestimmten Zeitpunkt liegen innerhalb eines Raummaßes innerhalb der Struktur somit wesentlich mehr Photonen vor, als außerhalb der Struktur im selben Raummaß. Die Photonendichte ist dabei um jenes Maß erhöht, mit dem auch der Weg der Photonen verlängert ist. Einfallendes Licht weist beim Auftreten einer Anderson - Lokalisation darüber hinausgehende Lichtdichten auf, da ein und dasselbe Photon immer wieder ein und denselben geschlossenen Kreispfad einschlägt.

Eine Anderson-Lokalisation tritt dann auf, wenn die durchschnittlich freie Weglänge in besonderem Verhältnis zur Wellenlänge des betrachteten Teilchens steht, nämlich wenn die durchschnittliche freie Weglänge des Lichts multipliziert mit zwei Pi, möglichst ähnlich oder gleich groß der betrachteten Wellenlänge ist. Bei zufälliger Anordnung von Streupartikeln in einem Medium tritt eine durchschnittliche Weglänge als statistischer Mittelwert auf. Bei der beschriebenen Struktur werden die Positionen durch die Geometrie der dichten Packung und der Lage der Lücken vorgegeben.

Von den geometrischen Verhältnissen, insbesonders von den wechselseitigen Abständen der Streuzentren hängt ab, ob ein bestimmter Weg des Weiterstreuens quantenmechanisch möglich ist, oder nicht. Somit liegt die quantenmechanische Bedingung für

Andersonlokalisation, nämlich ein zeitreversibler, geschlossener Pfad, nicht nur zufällig, in konsistenter Form vor, da in der beschriebenen Struktur durch den Mindestabstand zwischen benachbarten Lücken zu geringe freie Weglängen verhindert werden, wobei mehrere Partikel in einer Lücke als ein Streuzentrum anzusehen sind, und die Verteilung möglicher Weglängen durch die Geometrie auf bestimmte, annähernd diskrete Längenbereiche beschränkt sind.

Anzumerken ist, daß bei der vorgeschlagenen Struktur eine Periodizität der strukturgebenden Komponenten in allen drei Raumrichtungen vorliegt, im Gegensatz zu beispielsweise faserartigen Strukturen mit Periodizität in zwei Raumrichtungen oder flächigen Strukturen mit Periodizität in nur einer Raumrichtung. Zur Herstellung einer Struktur von Nanopartikeln in dichter Packung sind dem Fachmann verschiedene Methoden bekannt. Gängige Verfahren sind schichtweises spincoating,

Verdunstung an einem Träger aus wässriger Lösung, oder mechanische Behandlung.

Die Fertigung der beschriebenen Struktur unterscheidet sich durch gleichmäßige Zugabe form- und größenmäßig geeigneter Partikel vor bzw. bei der Produktion in geeignetem

Mengenverhältnis. Wird beispielsweise eine Struktur mit jeweils sphärischen eingelagerten sowie strukturgebenden Partikeln hergestellt, und soll je ein einzelnes eingelagertes Partikel in jeweils einer Lücke separiert eingelagert werden, so muß das eingelagerte Partikel eine Größe von unter 41 % der strukturgebenden Partikel aufweisen, um in die größeren Oktaederlücken passen zu können (bei flächenzentrierter kubischer Packung), sowie über 28 %, um zu verhindern, dass mehr als ein eingelagertes Partikel in einer Oktaederlücke Platz finden kann.

Entsprechende Fertigungstoleranzen bei Größe und Form sind zu berücksichtigen, das Ausmaß der Abweichung in Größe und Form kann vom Fachmann vermessen oder gegebenenfalls beim Hersteller in Erfahrung gebracht werden. Aus den Größenverhältnissen der jeweiligen

Partikelart und der Dichte der jeweiligen Materialien sowie aus den beabsichtigten Ausmaß der Befüllung kann der Fachmann leicht die anzuwendenden Volumens- und Gewichtsverhältnisse errechnen.

Sowohl eine Streuungsverdichtung, als auch eine Andersonlokalisation, als auch ein Verhalten als photonischer Kristall treten auf, wenn sich verschiedene Materialien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften in einer geeigneten periodischen Anordnung befinden. Hauptsächlich sei hier ein Unterschied im Brechungsindex genannt. Da die Struktur erstens aus

strukturgebenden Komponenten, zweitens aus eingelagerten Komponenten, sowie drittens aus einem Füllmaterial besteht (wobei strukturgebende sowie eingelagerte Komponenten in sich eine Strukturierung aufweisen können, beispielsweise in einem Kern/Schale-Aufbau), kommen in ein und derselben Struktur bevorzugt Unterschiede erstens zwischen eingelagerten und strukturgebenden Komponenten, zweitens zwischen eingelagerten Komponenten und dem Füllmaterial, sowie drittens zwischen den Strukturgebenden Komponenten und dem Füllmaterial in Betracht. Dass sowohl strukturgebende sowie eingelagerte Komponenten in sich eine

Strukturierung aufweisen können, beispielsweise in einem Kern/Schale-Aufbau, erhöht die Vielzahl der denkbaren Möglichkeiten, besonders in Betracht des Einsatzes mehrerer unterschiedlicher strukturgebender Komponenten beziehungsweise mehrerer unterschiedlicher eingelagerter Komponenten. Bei sphärischen strukturgebenden Komponenten sowie sphärischen eingelagerten Komponenten, sowie bei Packung der strukturgebenden Komponenten in eine kubisch flächenzentrierte Packung (dichte Kugelpackung), gelten folgende Verhältnisse:

Auf je eine strukturgebende Komponente kommt je eine Oktaederlücke und je zwei

Tetraederlücken. Die größtmögliche, in eine Oktaederlücke passende, sphärische eingelagerte Komponente hat eine Größe von 41 % der Größe der strukturgebenden Komponente. Die größtmögliche, in eine Tetraederlücke passende, sphärische eingelagerte Komponente hat eine Größe von 22% der Größe der strukturgebenden Komponente. Eingelagerte, sphärische Komponenten von einer Größe, die eine Einlagerung in Tetraederlücken ermöglicht, können auch in einer Mehrzahl in die Oktaederlücken der selben Struktur eingelagert werden.

Aus der solchermaßen räumlich beschränkten Struktur lassen sich durch eine Vielzahl von Wiederholungen weiter Strukturen bilden, beispielsweise durch Schichtaufbau mehrerer gleicher, oder unterschiedlicher Strukturen. Genauso kann auch eine Aneinanderlagerung von dreidimensional beschränkten Strukturen, sogenannten Clustern, erfolgen. Eine solche

Wiederholung räumlich eng beschränkter Strukturen kann auch unter Einbindung eines anders gearteten Zwischenmaterials erfolgen. Die vorgeschlagene Struktur kann in makroskopischer Sicht in unterschiedlicher Form angewendet werden, beispielsweise als Schicht, als Cluster oder als Strang. Insbesondere die Verwendung als Cluster bietet sich an, das heißt, als ein Metapartikel, das zum Beispiel einige pm Durchmesser aufweist, und das aus der

vorgeschlagenen Struktur besteht.

Da die strukturgebenden Komponenten einen Großteil des Volumens ausmachen, bietet es sich an, die Struktur so einzusetzen, dass hochpreisige oder nur beschränkt verfügbare Materialien als eingelagerte Komponenten zum Einsatz kommen, weil durch die gleichmäßige Verteilung derselben ein maximaler Wirkungsquerschnitt erzielt wird. Sowohl Gruppen mehrerer Partikel können in Lücken positioniert werden, mit einer Beschränkung der Maximalanzahl innerhalb einer Lücke, die durch die Größenverhältnisse und Formen der eingelagerten sowie der strukturgebenden Partikel gegeben ist. Auch eine jeweilige Vereinzelung kann so realisiert werden. Auf diesem Weg können kostenintensive Materialien, z. B. Quantendots kosteneffizient genutzt werden. Weiters sind Verklumpungen bei weiteren Fertigungsschritten sowie im fertigen Produkt durch die fixe Positionierung in den Lücken der dichten Packung wirkungsvoll unterbunden. Bei der Anwendung der Struktur kann auch eine veränderte Wärmeverteilung entstehen. Dieser Effekt kann beabsichtigt eingesetzt werden, um unvermeidbare Verlustwärme an einer Stelle entstehen zu lassen, wo dieser die beabsichtigte Wirkung des Gesamtsystems weniger beeinträchtigt oder leichter abgeführt werden kann. Insbesondere ist auf die Verwendung zur Frequenzwandlung in Photovoltaikmodulen hinzuweisen, wo eine etwaig entstehende Abwärme bei der Frequenzkonversion weniger schädlich ist bzw. leichter aus dem Modul abgeführt werden kann, wenn sie in jener

Modulkomponente entsteht, in der sich die Struktur befindet, verglichen mit dem Alternativfall, dass sie direkt in der Solarzelle entsteht, wo eine höhere Temperatur zu geringeren

Wirkungsgraden führt.

Die Erfindung umfasst nicht nur die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern sämtliche Ausführungsformen im Rahmen der vorliegenden Patentansprüche. Insbesondere umfasst die Erfindung Anwendungen, bei denen bestimmte Zustände einzelner Komponenten logische Zustände bilden, und damit als Computer verwendet werden können. Auch bei dieser

Anwendung kann die genaue Positionierung von Komponenten relevant sein. Ähnliches gilt für Signalübertragung, bei denen ein Signal (z.B. elektrisch, magnetisch, optisch) von einer Komponente zur jeweils nächsten Komponente erfolgt. Auch ein elektrisches Gleichstromsignal oder Wechselstromsignal könnte über eine solche Einrichtung übertragen werden.

Auch die Verwendung von„surface-piasmons" oder .surface-plasmon-polaritons" kann in einer solchen Anordnung erfolgen, zur Signalübertragung, Schaltung, oder auch als Surface

Plasmon amplified spontaneous emission of radiation„SPASER". Durch Verwendung von Lasermaterialien in Verbindung mit Komponenten, die Lichtstreuung ermöglichen, können auch so genannte„Random-Laser" hergestellt werden. In der Optik werden Anordnungen kleinster Komponenten für die Herstellung von Linsen eingesetzt, die eine Auflösung von Längen weit unter der Wellenlänge des eingesetzten Lichts ermöglichen.

Bezugszeichenliste

1 Komponenten zur Strukturbildung

2 Eingelagerte Komponente

3 Zwischenraum

4 Füllmedium

5 Umhüllung

6 Metallstäbchen