Metallnanopartikel erzeugt durch Excimer- und Festkörperlaserstrahlung in Silikatglas: Abhängigkeit der atomaren Struktur, der Wechselwirkungen mit der Glasmatrix und der Eigenschaften der Nanopartikel von ihren Größen, räumlichen Konfigurationen und Präparationsprozeduren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zunächst wurden geeignete Gläser bzw. Glassysteme ermittelt, welche die Erzeugung von sphärischen Ag-, Au- und Ag/Au- Nanopartikeln unmittelbar in der Glasoberfläche durch Excimerlaserstrahlung (193 und 405 nm) ermöglichen. Das ist insbesondere durch Verwendung von Floatgläsern möglich, weil hier polyvalente Ionen höherer Konzentration (z. B. Fe2+, Sn2+, Trennstellensauerstoffe) vorliegen bzw. erzeugt werden. Des Weiteren können die Größen der Nanopartikel variiert werden, wobei die Korrosion der Partikel verhindert wird und geringe Absorptionseffekte treten auf. Wegen der geringen Beweglichkeit der Au-Atome wurde die Methode der Laserimplantation von S.J. Henley angewandt. Deswegen musste ein dünner Goldfilm (z. B. 70 nm Dicke) auf das Floatglas aufgebracht werden. Durch eine Reihe von verschiedenen Prozessen infolge von Laserbestrahlung schmilzt die Goldschicht nach mehreren Laserpulsen auf der Badseite vom Floatglas. Durch den Einbau von Au-Nanopartikeln können die Maxima der optischen Dichte bis zu 600 nm erreichen, was mit Ag-Partikeln nicht möglich ist. Durch die Erzeugung von bimetallischen Ag/Au-Nanopartikeln nach Ionenaustauschprozessen, die Bestrahlung mittels ArF-Excimerlaserpulsen (193 nm) und thermischen Behandlungen ergeben sich weitere Möglichkeiten der Variation der Plasmonenresonanzen. Dadurch ergeben sich weitere Anwendungsmöglichkeiten dieser Nanopartikel. Einen wesentlichen Beitrag zum Erfolg dieses Projektes lieferte die Ermittlung der Größen der Nanopartikel und die Ermittlung deren atomaren Strukturen. Diese Korrelationen konnten durch aufwendige Experimente mittels der Transmissionselektronenmikroskopie und mehrerer Röntgenstreuexperimente wie XRD, EXAFS und SAXS ermittelt werden. Mittels der theoretischen DFT-Modellrechnung konnten atomare Grundstrukturen ermittelt und Aussagen zum Einfluss von inhomogenen Strukturen auf die optischen Eigenschaften festgestellt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Formation of silver nanoparticles in silicate glass using excimer laser radiation: Structural characterization by HRTEM, XRD, EXAFS and optical absorption spectra“, J. Alloys Compd. 681 (2016) 307-315
M. Heinz, V. V. Srabionyan, A. L. Bugaev, V. V. Pryadchenko, E. V. Ishenko, L. A. Avakyan, Y. V. Zubavichus, J. Ihlemann, J. Meinertz, E. Pippel, M. Dubiel, L. A. Bugaev
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„Silver nanoparticles in silicate glass prepared by UV laser irradiation: dependences of size and atomic structure of particles upon irradiation parameters“, J. Phys.: Conf. Ser. 712 (2016) 012110
M. Dubiel, M. Heinz, V. V. Srabionyan, V. V. Pryadchenko, L. A. Avakyan, Y. V. Zubavichus, J. Meinertz, J. Ihlemann, L. A. Bugaev
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"Investigation of gold and bimetallic gold/silver nanoparticles in soda-lime-silicate glasses formed by means of excimer laser irradiation", Proc. SPIE 10093, Synthesis and Photonics of Nanoscale Materials XIV, 100930I (20 February 2017)
M. Heinz, M. Dubiel, J. Meinertz, J. Ihlemann, A. Hoell
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“Excimer laser induced spatially resolved formation and implantation of plasmonic particles in glass”, Nanomaterials 2018, 8, 1035
M. Heinz, J. Meinertz, M. Dubiel, J. Ihlemann
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“Formation of bimetallic gold-silver nanoparticles in glass by UV laser irradiation”, J. Alloys Compd. 767 (2018) 1253-1263
M. Heinz, V. V. Srabionyan, L. A. Avakyan, A. L. Bugaev, A. V. Skidanenko, S. Y. Kaptelinin, J. Ihlemann, J. Meinertz, C. Patzig, M. Dubiel, L. A. Bugaev
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„Formation and implantation of gold nanoparticles by ArF-excimer laser irradiation of gold coated float glass“, J. Alloys Compd. 736 (2018) 152-162
M. Heinz, V. V. Srabionyan, L. A. Avakyan, A. L. Bugaev, A. V. Skidanenko, V. V. Pryadchenko, J. Ihlemann, J. Meinertz, C. Patzig, M. Dubiel, L. A. Bugaev
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„Insight on Agglomerates of Gold Nanoparticles in Glass Based on Surface Plasmon Resonance Spectrum: Study by Multi-Spheres T-Matrix Method“, J. Phys.: Condens. Matter 30 (2018) 045901 (9pp)
L. A. Avakyan, M. Heinz, A. V. Skidanenko, K. A. Yablunovskiy, J. Ihlemann, J. Meinertz, C. Patzig, M. Dubiel, L. A. Bugaev
