Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 22.12.2021

Neuartige optische Komponente auf der Basis von Metamaterialien aus Silizium-Nanopartikeln – Publikation in Advanced Materials

Die Miniaturisierung von optischen Komponenten ist eine Herausforderung in der Photonik. Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es gelungen, einen Diffusor – eine optische Streuscheibe – auf der Basis von Silizium-Nanopartikeln zu entwickeln. Damit können sie Richtung, Farbe und Polarisation von Licht gezielt steuern. Anwendungen kann die neuartige Technologie etwa in transparenten Bildschirmen oder in der Augmented Reality finden. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in der Zeitschrift Advanced Materials. (DOI: 10.1002/adma.202105868)

Die Photonik, die Wissenschaft von der Erzeugung, Ausbreitung und Detektion von Licht, gilt als Treiber bei der Entwicklung von Technologien für das 21. Jahrhundert. Eine Herausforderung für die Forschung besteht darin, traditionelle optische Komponenten wie Linsen, Spiegel, Prismen oder Diffusoren zu miniaturisieren oder ihre Merkmale um Eigenschaften zu ergänzen, die erst durch die Nanophotonik zugänglich sind. Dies führt zu neuen Anwendungen wie miniaturisierten Sensoren in autonom fahrenden Fahrzeugen oder integrierten photonischen Quantencomputern.

Diffusoren sind Streuscheiben, die einfallendes Licht mithilfe kleiner Streuzentren beeinflussen und etwa gleichmäßig in alle Richtungen verteilen. Um eher massive traditionelle Diffusoren zu ersetzen, brachten Forschende des KIT und der Friedrich-Schiller-Universität Jena eine Schicht spezieller Silizium-Nanopartikel auf ein Substrat auf. Dabei verteilten sie die Partikel in einer ungeordneten, aber sorgfältig geplanten Weise. Die Nanopartikel sind hundertmal dünner als ein menschliches Haar und wechselwirken mit bestimmten einstellbaren Wellenlängen des Lichts. Richtung, Farbe und Polarisation von Licht können mit diesen Meta-Oberflächen gezielt gesteuert werden.

„Sweet Spot“ für die perfekte Diffusion

„Das Forschungsteam ging zwei grundlegenden Fragen nach: Wie stark können wir den optischen Diffusor verkleinern und wie genau muss die Unordnung in der räumlichen Struktur der Nanopartikel sein?“, so Aso Rahimzadegan, Doktorand am KIT und einer der beiden Hauptautoren der Studie. „Bemerkenswerterweise haben wir einen ‚Sweet Spot‘ für die Unordnung gefunden, der zu einer perfekten Diffusion führt.“ Dennis Arslan, Doktorand an der Universität Jena und ebenfalls Hauptautor dieser Publikation, erläutert: „Wir haben Meta-Oberflächen-Diffusoren hergestellt, die, wenn man sie mit bloßem Auge betrachtet, aus allen Richtungen gleich hell erscheinen. Das Bemerkenswerte daran ist, dass dies alles in einer Schicht mit einer Dicke von nur 0,2 Mikrometern geschieht. Die Diffusoren streuen Licht einer bestimmten Farbe und lassen andere Wellenlängen ungestört passieren.” Diese Eigenschaft sei beispielsweise für wissenschaftliche Anwendungen nützlich, aber auch Konsumartikel wie transparente Bildschirme, die von beiden Seiten betrachtet werden könnten, holografische Projektoren oder Augmented-Reality-Headsets profitierten davon. Nur durch die Kombination experimenteller und theoretischer Expertise beider Partner war es möglich, Antworten auf die anspruchsvollen Fragen zu finden.

Die Forschung, die zu diesen Ergebnissen führte, wurde in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Schwerpunktprogramm „Tailored Disorder“ durchgeführt und war am KIT in das Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order integriert. (jh)

Externer Link: www.kit.edu

Presseaussendung der TU Wien vom 31.08.2021

Wie lassen sich Einzelatome für die Katalyse verwenden? Forschende aus Wien entwickeln eine neue Methode, um Einzelatome auf Trägermaterialien zu verankern.

Oft heißt es „never change a running system“. Dabei können neue Methoden den alten weit überlegen sein. Während chemische Reaktionen bislang vor allem mit größeren Materialmengen, bestehend aus mehreren hundert Atomen, beschleunigt werden, liefern Einzelatome einen neuen Ansatz für die Katalyse.

Ein internationales Forschungsteam fand nun unter Führung der TU Wien eine Möglichkeit, einzelne Atome kontrolliert und stabil auf einer Oberfläche zu verankern. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Katalyse mit Einzelatomen. Die neue Methode präsentierten die Forschenden um Bernhard C. Bayer in der Fachzeitschrift ACS Nano.

Einzelatome lösen Nanopartikel ab

Moderne Katalysatoren bestehen bereits aus Nanopartikeln und sind somit sehr klein. Betrachtete man ihre Größe jedoch auf atomarer Skala, sind sie mit mehreren hundert Atomen weit größer als Katalysatoren, die aus nur einem Einzelatom bestehen. Gelingt es, chemische Reaktionen mit weit kleineren als den bislang eingesetzten Materialmengen zu beschleunigen, eröffnet dies gänzlich neue Möglichkeiten. Denn die Katalyse mit Einzelatomen ist nicht nur nachhaltiger und energieeffizienter, sie ist auch selektiver und erzielt eine bessere Ausbeute.

Bei der neu entwickelten Methode dienen Siliziumatome als „Anker“ für metallische Einzelatome. Siliziumatome selbst kommen oft als Verunreinigung im Trägermaterial aus Kohlenstoff vor. An das Silizium werden Indiumatome gebunden, die als Katalysator fungieren können. „Die Indiumatome binden gezielt an die Silizium-Anker im Kohlenstoff-Kristallgitter“, sagt Bernhard C. Bayer vom Institut für Materialchemie an der TU Wien. „Damit verbleiben die Indium-Einzelatome stabil an ihren Plätzen und verklumpen nicht“, fährt der Leiter der Forschungsarbeiten fort. „Was die neue Technologie besonders spannend macht, ist, dass die Verankerung der Indiumatome durch die Siliziumatomen im Kohlenstoff selbstständig passiert, wenn die Reaktionsbedingungen stimmen. Dies macht den Prozess potenziell skalierbar“, ergänzt Kenan Elibol von der Universität Wien und dem Trinity College Dublin sowie Erstautor der Studie.

Das Verfahren bringt aber auch Herausforderforderungen mit sich, denen das Forschungsteam erfolgreich begegnete. Besonders das Aufbringen von Einzelatomen auf festen Trägeroberflächen gestaltet sich schwierig. Der Grund: Einzelne Atome entfernen sich schnell von ihren Plätzen und fügen sich zu größeren Partikeln zusammen. Atomar feines Indium zum Beispiel verklumpt sich normalerweise auf Kohlenstoffoberflächen schnell zu großen Nanopartikeln – die Vorteile der Einzelatom-Katalyse werden folglich aufgehoben.

Weitere Testungen folgen

Mit einem hochauflösenden Elektronenmikroskop an der Universität Wien konnte das Forschungsteam die Herstellungsmechanismen der Silizium-verankerten Indium-Einzelatome schließlich beobachten. „Wir konnten damit nachweisen, wie die Verankerung der Indiumatome davon abhängt, wie die Silizium-Anker im Kohlenstoff-Kristallgitter eingebaut sind“, sagt Toma Susi von der Universität Wien, der die Anker-Strukturen mittels modernster Computermethoden weiter entschlüsseln konnte. „Solch kontrollierte und bei Raumtemperatur stabile Verankerung von Einzelatomen auf festen Oberflächen wurde noch nicht in diesem Detail berichtet und eröffnet spannende Perspektiven für katalytische Anwendungen im Bereich Energie und Umwelt“, ergänzt Dominik Eder von der TU Wien und Experte für Katalyse.

Damit die Methode der Wiener Forschenden auch industriell eingesetzt werden kann, folgen weitere Experimente: „Die mit der neuen Methode platzierten Einzelatome sollen nun ausführlich als Katalysatoren für verschiedene chemische Reaktionen getestet werden“, so Bernhard C. Bayer.

Die beschriebene Forschung wurde unter anderem durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unter Projekt 860382-VISION und vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (756277-ATMEN) gefördert. (Sarah Link)

Originalpublikation:
K. Elibol et al., Single Indium Atoms and Few-Atom Indium Clusters Anchored onto Graphene via Silicon Heteroatoms, ACS Nano, 2021

Externer Link: www.tuwien.at

Pressemeldung der JKU Linz vom 15.04.2021

Die moderne Gesellschaft ist auf virtuellen Informationsaustausch aufgebaut. Quantentechnologie basierend auf Quantenlicht verspricht eine absolut sichere Kommunikation.

Bankgeschäfte, E-Mails, Handel – die moderne Gesellschaft ist auf virtuellen Informationsaustausch aufgebaut. Genau das macht sie angreifbar und Cyber-Security zu einem wesentlichen Faktor. Quantentechnologie basierend auf Quantenlicht verspricht eine absolut sichere Kommunikation.

Forscher*innen der Johannes Kepler Universität Linz ist es gemeinsam mit der Uni Wien gelungen, erstmalig eine neuartige Quantenlichtquelle für die Erzeugung von verschränkten Lichtteilchen aus Halbleiternanostrukturen für eine sichere Quantenkommunikation zu demonstrieren. Ein wesentlicher Vorteil dieser Lichtquellen ist die Rauscharmut und im Prinzip hörer Datenrate gegenüber bisher genutzen Lichtquellen.

Mit 85 Bit pro Sekunde ist die Übertragung zwar noch nicht praxistauglich, aber: „Die Quantenübertragung war nicht nur fehlerfrei – sie kann auch nicht mehr unbemerkt abgehört werden“, erklären die JKU Physiker DI Christian Schimpf und Prof. Armando Rastelli (Abteilung für Halbleiterphysik). Jeder Versuch würde die Verschränkung zwischen den Photonen stören – und somit auffallen, noch ehe die Übertragung stattfindet.

Gelungene Übertragung zwischen Gebäuden

Tatsächlich gelungen ist die Informationsübertragung zwischen dem Physikgebäude der JKU und dem Open Innovation Center des Linz Institute of Technology. „Damit ist die technische Machbarkeit nachgewiesen“.

Anders als bei vorherigen Demonstrationen stammen die Photonen erstmalig aus Halbleiternanostrukturen, sogenannten Quantenpunkten, die aus Materialien ähnlich wie herkömmliche Lichtquellen für die faserbasierte Kommunikation aufgebaut sind. Der Vorteil dieser Methode: „Zwar ist noch weitere Forschung notwendig, aber mit unserer Methode sind Übertragungsraten im Bereich von hunderten Megabit pro Sekunde durchaus möglich“, ist Rastelli sicher.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Qualität der erzeugten Photonen. „Quantenpunkte erzeugen wirklich Photonen in einer Qualität, die bisher genutze Photonenquellen nicht erreichen“, so Philip Walther. Daher sind diese Art von Quellen nicht nur für die Quantenkommunikation von Interesse, sondern auch für optische Quantencomputer und Quantensimulatoren. Das Paper wurde gestern im renommierten Journal „Science Advances“ unter dem Titel „Quantum Cryptography with highly entangled photons from semiconductor quantum dots“ publiziert.

EU-Interesse an Forschung

Die Teams aus Linz und Wien sind durch die Partnerschaft in der Lage, ihr Wissen und ihre Erfahrung synergetisch zu kombinieren, um die Quanten-Verschlüsselung weiterzuentwickeln und an weiteren Anwendungen für die Quantenpunkte in den Bereichen Kommunikation, Sicherheit und Informationsverarbeitung zu forschen. Forschung in diesen Bereich wird vom Linz Institute of Technology (LIT) im Rahmen des Projektes „EQKD-QD – Entanglement-Based Quantum Key Distribution with On-Demand Photons Generated by Semiconductor Quantum Dots“, dem LIT Secure and Correct Systems Lab, die FWF Forschungsgruppe FG5 „Multiphoton Experiments with Semiconductor Quantum Dots“ (geleitet von der JKU und mit Partner*innen an der Universität Wien und der Universität Innsbruck) sowie der EU unterstützt. (Christian Savoy)

Externer Link: www.jku.at

Presseaussendung der TU Wien vom 20.04.2021

Bei extremer Hitze oder im Vakuum des Weltraums – ein neuartiges Nanomaterial bringt in Extremsituationen Höchstleistungen, das zeigte die TU Wien mit internationalen Partnern.

Die Fahrradkette kann man mit Öl schmieren, aber was macht man bei einem Marsrover oder bei einem glühend heißen Transportband in der Stahlindustrie? Ganz spezielle Nanomaterialien wurden nun von der TU Wien gemeinsam mit Forschungsgruppen aus Saarbrücken (Deutschland), der Purdue University in den USA und der Universidad de Chile (Santiago, Chile) untersucht.

Die Materialklasse der MXene (sprich: Maxene) sorgte in den letzten Jahren eigentlich im Zusammenhang mit neuartigen Batterie-Technologien für großes Aufsehen. Doch wie sich nun zeigt, sind sie auch ein hervorragender Festschmierstoff, der extrem haltbar ist und auch unter schwierigsten Bedingungen seine Aufgabe dauerhaft erfüllt. Diese bemerkenswerten Eigenschaften der MXene wurden nun im renommierten Fachjournal ACS Nano publiziert.

Wie ein Stapel Papierblätter

Wie das Kohlenstoff-Material Graphen zählen auch die MXene zu den sogenannten 2D-Materialien: Ihre Eigenschaften werden wesentlich dadurch bestimmt, dass es sich um ultradünne Schichten handelt, um einzelne Atomlagen, ohne starke Bindungen nach oben oder unten.

„Man beginnt zunächst mit sogenannten MAX-Phasen, das sind spezielle Schichtsysteme, die etwa aus Titan, Aluminium und Kohlenstoff bestehen“, sagt Prof. Carsten Gachot, Leiter der Tribologie-Gruppe am Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung der TU Wien. „Der entscheidende Trick ist, das Aluminium mit Flusssäure heraus zu ätzen.“

Übrig bleibt dann ein Stapel von atomar dünnen Schichten aus Titan und Kohlenstoff, die ähnlich wie Papierblätter lose aufeinanderliegen. Jede Schicht für sich ist relativ stabil, die Schichten können sich aber gegeneinander problemlos verschieben.

Diese Verschiebbarkeit der atomaren Schichten untereinander macht das Material zu einem hervorragenden Trockenschmiermittel: Ohne Abrieb zu erzeugen wird ein extrem widerstandsarmes Gleiten ermöglicht. Die Reibung zwischen Stahloberflächen konnte damit auf ein Sechstel reduziert werden – und das mit außergewöhnlich hoher Verschleißbeständigkeit: Auch nach 100.000 Bewegungszyklen funktionierte die MXene-Schmierschicht noch problemlos.

Das ist perfekt für den Einsatz unter erschwerten Bedingungen: Während Schmieröl etwa im Vakuum bei Weltraummissionen sofort verdampfen würde, lassen sich MXene in Form von feinem Pulver auch dort einsetzen.

Unabhängig von Atmosphäre und Temperatur

„Man hat Ähnliches auch schon mit anderen Dünnschicht-Materialien versucht, etwa mit Graphen oder Molybdändisulfid“, sagt Carsten Gachot. „Aber sie reagieren empfindlich auf Feuchtigkeit in der Atmosphäre. Wassermoleküle können die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Schichten verändern. Bei MXenen spielt das hingegen eine geringere Rolle.“

Ein weiterer, entscheidender Vorteil ist die Hitzebeständigkeit von MXenen: „Viele Schmiermittel oxidieren bei großer Hitze und verlieren dabei ihre Schmierfähigkeit. MXene hingegen sind viel stabiler, man kann sie sogar in der Stahlindustrie einsetzen, wo mechanisch bewegte Teile schon mal eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius erreichen können“, erklärt Gachot.

Untersucht wurde das pulverförmige Schmiermittel in mehreren Experimenten an der TU Wien von Dr. Philipp Grützmacher aus Prof. Gachots Arbeitsgruppe sowie der Universität des Saarlandes in Saarbrücken und der Purdue Universität in den USA. Wesentlichen Anteil an der Initiierung und Konzeption der Arbeit hatte dabei am anderen Ende der Welt Prof. Andreas Rosenkranz in Chile.

„Auch von Seiten der Industrie gibt es bereits großes Interesse an diesen Materialien. Wir gehen davon aus, dass solche MXene schon bald in größerem Maßstab hergestellt werden können“, ist Carsten Gachot zuversichtlich. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
P. Grützmacher et al., Superior Wear-Resistance of Ti3C2Tx Multilayer Coatings, ACS Nano, 2021.

Externer Link: www.tuwien.at