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Title:
METHOD FOR DISSOLVING METAL NANOPARTICLES IN DIELECTRIC MATERIALS UNDER THE EFFECT OF A DC FIELD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/102951
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for dissolving metal nanoparticles in dielectric materials under the effect of a DC field. The invention also relates to a method for producing dielectric materials that contain glasses or other nanoparticles and that have modified color and polarization effect up to complete transparency while maintaining a level optical surface. According to said method, a dielectric material that has ion conductivity and that contains nanoparticles in its surface layer is subjected to a strong electrical field and at the same time to an increased temperature. The inventive material can be used as color-selective filter or polarizer.

Inventors:
GRAENER HEINRICH (DE)
SEIFERT GERHARD (DE)
PODLIPENSKY ALEXANDER (DE)
ABDOLVAND AMIN (DE)
KAZANSKY PETER (GB)
DEPARIS OLIVIER (BE)
Application Number:
PCT/DE2005/000658
Publication Date:
November 03, 2005
Filing Date:
April 13, 2005
Export Citation:
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Assignee:
UNIV HALLE WITTENBERG (DE)
GRAENER HEINRICH (DE)
SEIFERT GERHARD (DE)
PODLIPENSKY ALEXANDER (DE)
ABDOLVAND AMIN (DE)
KAZANSKY PETER (GB)
DEPARIS OLIVIER (BE)
International Classes:
C03C14/00; C03C21/00; C03C23/00; C03C25/62; (IPC1-7): C03C14/00; C03C23/00; C03C25/62
Other References:
P.G. KAZANSKY ET AL., OPTICS COMMUNICATIONS, vol. 110, 1994, pages 611 - 614, XP002341199
F. GONELLA ET AL., APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 69, 1996, pages 3101 - 3103, XP002341200
O. DEPARIS ET AL., APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 85, no. 6, 9 August 2004 (2004-08-09), pages 872 - 874, XP002341201
Attorney, Agent or Firm:
Wissenbach, Gisela (Universitätsplatz 10, Halle/Saale, DE)
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Claims:
Patentansprüche :
1. Verfahren zur Auflösung von Metallnanopartikeln in Dielektrika dadurch gekennzeichnet, dass die in Schichten des Dielektrikums enthaltenen Partikel partiell oder vollständig aufgelöst werden durch das Anlegen eines hohen statischen oder langsam veränderlichen elektrischen Feldes.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich der Farbeindruck des Materials, der durch die plasmonischen Extinktionsbanden der Metallnanopartikel hervorgerufen wird, dauerhaft verändert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einwirkung des elektrischen Feldes die Extinktion infolge plasmonischer Resonanzen der Metallnanopartikel vollständig zum Verschwinden gebracht werden kann und somit im Falle transparenter Dielektrika völlige Transparenz erreicht werden kann.
4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in den Schichten der dielektrischen Matrix, die vor Beginn des Verfahrens Metallnanopartikel enthalten, nach Beendigung des Prozesses nanoskopische Hohlräume in der Matrix verbleiben.
5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aufgelöste Volumenanteil der in den Nanopartikeln ursprünglich vorhandenen Metallatome von der Stärke und Richtung des elektrischen Feldes, der Dauer dessen Einwirkung und der Temperatur des Materials während der Einwirkung beeinflusst wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aufgelöste Volumenanteil der in den Nanopartikeln ursprünglich vorhandenen Metallatome von der Dicke der die Nanopartikel enthaltenden Schichten, von der Art des eingebetteten Metalls sowie dem jeweils vorherrschenden Volumenfüllfaktor und dessen räumlicher Verteilung bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aufgelöste Volumenanteil der in den Nanopartikeln ursprünglich vorhandenen Metallatome von der Art des Materials der auf die Oberflächen des Dielektrikums gepressten Elektroden beeinflusst wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aufgelöste Anteil der Metallpartikel bei geeigneter Ausrichtung des angelegten elektrischen Feldes in tiefere Schichten der dielektrischen Matrix diffundiert und nach Beendigung der Behandlung dort dauerhaft verbleibt.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Veränderungen ein exaktes Abbild der Form der verwendeten Elektroden ergeben, so dass alle mit bekannten Techniken erzeugbaren lateralen Elektrodenstrukturen als optische Strukturierung auf die Dielektrika übertragen werden können.
10. Verfahren nach Anspruch 1 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete zeitliche Steuerung des angelegten elektrischen Feldes die aufgelösten Teile der Nanopartikel definiert in verschiedene Tiefen des Dielektrikums verschoben werden können und durch nachgelagerte Prozessschritte eine gleichzeitige laterale und vertikale Strukturierung der optischen Eigenschaften der Dielektrika erreicht werden kann.
Description:
Verfahren zur Auflösung von Metallnanopartikeln in Dielektrika durch Einwirkung eines elektrischen Gleichfeldes

Submikroskopisch kleine Metallpartikel mit einer Größe von ca. 1-100 nm, die in Gläser oder andere dielektrische Materialien eingebettet sind, zeigen eine charakteristische Extinktion von Licht im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich. Ursache dieser Extinktionsbanden ist die Anregung kollektiver Elektronenschwingungen, so genannter Oberflächenplasmonen, in den Metallpartikeln. Die Lage der Banden hängt dabei ab vom verwendeten Metall, dem Matrixmaterial (hier insbesondere von dessen Brechungsindex) sowie insbesondere von Größe, Form und räumlicher Anordnung der Nanopartikel. Während näherungsweise kugelförmige, statistisch in der Matrix verteilte Metallpartikel zu einer von der Polarisation des Lichtes unabhängigen Extinktion fuhren, bewirken nicht kugel¬ symmetrisch geformte und/oder regelmäßig angeordnete Partikel optischen Dichroismus, d.h. Extinktionsbanden, die von der Polarisation des eingestrahlten Lichtes abhängen. Beispielsweise liefern einheitlich ausgerichtete, metallische Rotationsellipsoide zwei verschiedene Banden je nachdem, ob das eingestrahlte Licht parallel oder senkrecht zur langen Halbachse des Ellipsoids polarisiert ist. Die Plasmonenschwingung längs der kurzen Halbachse fuhrt dabei zur kurzwelligen, die entlang der langen Halbachse zur langwelligen Extinktionsbande. Aufgrund dieser linearen optischen Eigenschaften können solche Materialen z.B. als farbselektive Filter oder als (sehr dünne) Polarisatoren mit hohem Kontrast für bestimmte Wellenlängenbereiche benützt werden; dabei ist die Temperaturbeständigkeit bis zu 500°C von besonderem Interesse. Es existiert dazu ein mechanisch-thermisches Zugverformungs¬ verfahren (vgl. z.B. Patent DE 195 02 321), mit dem, ausgehend von Gläsern, die runde Metallpartikel enthalten, ein nahezu beliebiges Halbachsenverhältnis der Metallpartikel - und damit ein in weiten Bereichen einstellbares Extinktionsverhalten - erzielt werden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, zunächst sphärische Metallpartikel in dielektrischer Matrix durch Bestrahlung mit ultrakurzen Laserimpulsen dauerhaft zu Rotationsellipsoiden zu deformieren, deren vorzugsweise Ausrichtung von der Polarisation des verwendeten Laserlichtes abhängt (Patentanmeldung DE 198 23 257; M. Kaempfe et al., Applied Physics Letters 74 (1999) pp.1200- 1202). Bei beiden Verfahren können die erzielten optischen Eigenschaften auf die des Ausgangsmaterials zurückgesetzt werden, weil bei ausreichend hoher Temperatur - bei Gläsern oberhalb der Transformationstemperatur Tg - die Metallpartikel auf ihre ursprüngliche Kugelgestalt zurück relaxieren. Realisiert man den notwendigen Wärmeeintrag lokal begrenzt über Absorption von Laserstrahlung oder Elektronenstrahlung, so tritt auch diese Formrelaxation der Partikel nur in den bestrahlten Gebieten auf. Dadurch wird eine Strukturierung der absorptiven bzw. polarisierenden Eigenschaften optischer Bauelemente auf Basis dieser Materialien bis hin zu Strukturgrößen von wenigen Mikrometern möglich. Dabei besteht aber die Einschränkung, dass durch thermischen Energieeintrag allein keine völlig transparenten Bereiche erzeugt werden können; auch bei Fragmentierung der Partikel durch wiederholte Bestrahlung mit hochintensiven Nanosekunden-Laserimpulsen (F. Gonella et al., Applied Physics Letters 69 (1996) 3101- 3103) bleibt eine Restabsorption, mit bloßem Auge zu erkennen als gelbliche Färbung, zurück. Völlige Transparenz ist nach derzeitigem Stand nur durch mechanischen Abtrag der Partikel enthaltenden Schicht durch z.B. Ätztechniken möglich, zwangsweise verbunden mit einem entstehenden Höhenprofil der Oberfläche des Elementes. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, beliebig strukturierte Bereiche mit geänderter Färb- und Polarisationswirkung bis hin zur völligen Transparenz in Nanopartikel enthaltenden Dielektrika zu erzeugen unter Beibehaltung einer absolut ebenen optischen Oberfläche aus einheitlichem Matrixmaterial sowie unter Umgehung der bisher zur Erzeugung ähnlicher Strukturen notwendigen aufwendigen Prozessschritte. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass ein Dielektrikum mit ionischer Leitfähigkeit, das in einer wenige Mikrometer dicken Oberflächenschicht Metallnanopartikel enthält, einem hohen elektrischen Feld, das sich nicht oder nur langsam in der Zeit ändert (auf der Zeitskala von Sekunden oder langsamer), und gleichzeitig ggf. einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird. Dazu wird zunächst je eine Elektrode auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Materials gepresst, dieses ggf. dann auf eine Temperatur oberhalb Raumtemperatur, jedoch unterhalb der Temperatur, bei der ggf. Formrelaxation der Nanopartikel auftreten würde, geheizt, und dann eine maximale Spannung von etwa 1 kV angelegt; je nach Leitfähigkeit des Materials muss die elektrische Hochspannung dazu eventuell schrittweise in Abständen von mehreren Minuten erhöht werden, um eine Beschädigung des Materials durch einen elektrischen Durchbruch zu vermeiden. Ein ähnliches Verfahren wird auf reine Gläser angewendet (vgl. z.B. P.G Kazansky et al., Optics Communications 110 (1994) pp. 611-614), um dort durch so genanntes „thermisches Polen" ein in linearer Optik unsichtbares, oberflächennahes eingefrorenes elektrische Feld zu erzeugen, welches ein hohe nichtlineare Suszeptibilität 2. Ordnung nach sich zieht, aufgrund derer das Material anschließend zur Frequenzverdopplung von Laserstrahlung eingesetzt werden kann. Im Falle der Materialien mit eingebauten Metall-Nanopartikeln zeigt sich nach Abschalten der Hochspannung und Abkühlen des Materials auf Raumtemperatur im Gebiet zwischen den Elektroden eine deutlich veränderte Farbwirkung, im allgemeinen in Form eines Ausbleichens. Wenn die Anode in Kontakt zu der Nanopartikel enthaltenden Oberfläche liegt, kann dieser Ausbleicheffekt je nach Stärke des angelegten Feldes, Höhe der Temperatur und Dauer der Einwirkung bis hin zur völligen Transparenz gehen. Diese Veränderung wird dadurch hervorgerufen, dass die metallischen Nanopartikel vollständig aufgelöst werden, und die Bestandteile dann in tiefere Schichten der Probe diffundieren. Dies kann durch elektronenmikroskopische Aufnahmen und tiefenaufgelöste Röntgenanalyse eindeutig nachgewiesen werden. Ebenso bleibt in dem Bereich, der vor dem Prozess die Metallpartikel enthalten hat, eine nanoporöse Struktur von Hohlräumen zurück. Der Bereich der optisch sichtbaren Veränderungen ist ein direktes Abbild der Form derjenigen Elektrode, die in Kontakt mit der Nanokomposit-Schicht war. Somit können mit dem beschriebenen Verfahren im Prinzip beliebige transparente Strukturen in Materialien eingebracht werden, deren Extinktions- oder Polarisationswirkung auf Licht durch oberflächennahe Metallnanopartikel verursacht ist, wobei die Oberfläche, insbesondere deren optische Qualität, unverändert bleibt. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu alternativen Verfahren, die zwangsweise Materialabtrag erfordern, und damit unvermeidbar zu einer Höhenprofϊlierung der Oberfläche führen, die für alle optischen Anwendungen sehr störend ist und durch weitere, nachträglich aufgebrachte transparente Schichten ausgeglichen werden muss.