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Gold, Silber, Kupfer und Aluminium werden aufgrund ihrer Reflexionseigenschaften häufig für die Herstellung optischer Komponenten verwendet. Gold reflektiert zum Beispiel rotes Licht, während Silber blaues Licht reflektiert. Diese Metalle sind auch für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler interessant, die sie im Nanomassstab untersuchen, da Nanostrukturen ein völlig anderes optisches Verhalten aufweisen als Massenmaterialien. In diesem Massstab interagiert das Licht anders als mit demselben Metall in einer größeren Menge, wie z. B. in einem Goldbarren. Die Ingenieure des Labors für Nanophotonik und Metrologie (NAM), das zur Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie (STI) der EPFL gehört, stellten sich der Herausforderung, ein Material zu entwickeln, das alle Farben des Spektrums reflektiert.
Die Kombination der optischen Effekte beider Metalle
«Wir haben erkannt, dass wir durch die Herstellung einer Legierung aus Gold und Silber die optischen Effekte beider Metalle in einem einzigen Material kombinieren können», sagt Professor Olivier Martin, der das Labor leitet. Herkömmliche Gold- und Silberlegierungen werden bei hohen Temperaturen von 800-1000°C hergestellt. Bei diesem Prozess verändert sich jedoch die Form der Nanostrukturen: «Bei den derzeitigen Glühverfahren bleibt die Struktur der beiden Metalle nicht erhalten», erklärt Martin. Um dieses Problem zu umgehen, machten sich die Ingenieurinnen daran, ein Niedrigtemperatur-Glühverfahren zu entwickeln, das für jedes Legierungsgemisch geeignet ist.
Diese elektronenmikroskopische Aufnahme von Nanostrukturen zeigt Nanostrukturen mit unterschiedlichen Anteilen von Gold (Au) und Silber (Ag) in verschiedenen Farben. © 2022 EPFL
300 Grad Celsius
Im Labor demonstrierte Martins Team zunächst die Machbarkeit einer Niedrigtemperatur-Glühmethode zur Herstellung einer Gold-Silber-Legierung. Die Ingenieure erhitzten beide Metalle acht Stunden lang auf 300 °C und dann weitere 30 Minuten lang auf 450 °C und erzeugten so erfolgreich einen legierten Gold-Silber-Dünnfilm. «Wir verwenden in unserem Verfahren Schichten im Nanobereich», sagt Jeonghyeon Kim, Doktorandin und Mitglied des Teams, «sie sind unglaublich dünn.» Die Ingenieurinnen entdeckten, dass ihre Methode die Strukturen der beiden Metalle beibehält – und dass das neue Material je nach Zusammensetzung den gesamten Spektralbereich reflektiert: «Das Glühen bei niedriger Temperatur erzeugt gut legierte Materialien, verändert aber nicht die Form der Teilchen. Es ist, als ob wir die optischen Eigenschaften von Gold und Silber kombiniert hätten. Unsere Legierung reflektiert neue Farben.»
Das Forschendenteam experimentierte auch mit verschiedenen Legierungverhältnissen: «Die optischen Effekte ändern sich, je mehr Gold oder Silber wir der Mischung hinzufügen», sagt Martin. Ihre Methode, die zur Herstellung neuer optischer Instrumente verwendet werden könnte, verfügt auch über alltägliche Anwendungen: «Unser Material könnte zum Beispiel auf Zifferblättern von Uhren zum Einsatz kommen», fügt Martin hinzu.