Nahfeldeffekte und Energietransfer in gemischten metallisch–oxidischen Nanostrukturen

Die Nutzung des Potentials der Nanotechnologie für die Energietechnik ist eine der zentralen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Erste erfolgreiche Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien wie der Einsatz von nanokristallinem TiO₂ in farbstoff-sensitivierten Solarzellen (Grätzel-Zellen) zeigen, dass die Nanoskaligkeit von Materialien oft neuartige Funktionalität ermöglicht. Für Anwendungen in der Energietechnik ist der Transfer von Energie von zentraler Bedeutung. Nach dem Vorbild der natürlichen Photosynthese sind dabei das Sammeln von Lichtenergie, der Transfer der Energie an Reaktionszentren und die Umwandlung in nutzbare Energieformen über Ladungstrennvorgänge miteinander zu verketten. In diesen Bereichen können nun gemischte (hybride) Nanostrukturen aus metallischen und nichtmetallischen Strukturen nutzbringend eingesetzt werden. Metallische Nanostrukturen weisen eine starke Wechselwirkung mit Licht auf und können aufgrund der plasmonischen Anregungen große lokale Überhöhungen des elektrischen Feldes bewirken, die in der Spektroskopie bereits seit vielen Jahren genutzt werden. Die Anregungszustände in metallischen Strukturen haben aber nur eine kurze Lebensdauer. In nichtmetallischen Nanostrukturen können erheblich größere Lebensdauern auftreten, die einen weiteren Energietransfer vor Eintreten unerwünschter Rekombinations- oder Relaxationsprozesse ermöglichen. Daher ist die Koppelung metallischer Nanostrukturen an nichtmetallische Materialien von großem Interesse. Wir berichten über Untersuchungen an Modellsystemen, die aus einer Kombination von metallischen Nanoantennen in Form regelmäßiger, durch Kolloid-Lithographie (nanosphere lithography, NSL) hergestellten Strukturen sowie oxidischen Nanopartikeln bestehen. Um den Energietransfer im Hybridsystem nachzuweisen, werden die Oxidpartikel mit Seltenen Erden dotiert, die wohldefinierte Emissionseigenschaften im sichtbaren Spektralbereich sowie eine große Spektralverschiebung zwischen Anregungs- und Emissionswellenlänge aufweisen. Insbesondere wurden hierbei TiO₂ Nanopartikel synthetisiert und untersucht, da dieses Material von großem Interesse für Anwendungen ist, wie z.B. die direkte photokatalytische Erzeugung von Wasserstoff durch Wasserspaltung. Es werden hochauflösende Methoden wie die konfokale Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt, um den Energietransfer nachzuweisen. Die experimentellen Untersuchungen werden von Modellrechnungen zur Feldüberhöhung an Nanoantennen wohldefinierter Struktur begleitet.