Minuscule antennes van metaal, die het zonlicht opvangen, zullen in de toekomst het opwekken van stroom met behulp van fotovoltaïk nog efficiënter maken. Natuurkundigen van de Universität Würzburg hebben van goud dergelijke antennes met een ongekende precisie geproduceerd.
Nano-antennes kunnen, in vergelijking met een vergrootglas, veel efficiënter licht opvangen en op een extreem klein oppervlak concentreren. Daardoor is de energie van het licht efficiënter te gebruiken. Toepassingsmogelijk-heden voor dergelijke optische antennes zijn er al veel. Dat loopt van fotovoltaïk tot aan geïntegreerde schakelingen, die met licht in plaats van elektronen werken.
De vervaardiging van de optische nano-antennes is nogal kritisch. Ze moeten 300 nm lang zijn met een spleet van minder dan 10 nm. Alleen in deze uitvoering kunnen de antennes het licht concentreren en verzamelen. goud Als basismateriaal voor de antennes wordt goud gebruikt omdat dit stabiel blijft in lucht. Men zou ook zilver kunnen nemen, want daaruit zijn lichtantennes te maken met nog betere eigenschappen. Maar zilver is niet stabiel in lucht, het corrodeert.
Het blijft echter moeilijk om nano-antennes uit goud met de benodigde precisie en zonder fouten te fabriceren. Het team in Würzburg heeft, samen met onderzoekers uit Dübendorf (Zwitserland) en Milaan (Italië), de methode gevonden waarmee het wel gaat. De eerste onderzoeken van de antennes hebben het grote potentieel van de nieuwe methode aangetoond.
Artistieke voorstelling van een één-kristallijn gouden plaatje, waaruit met een fijn gebundelde ionenstraal verschillende nanostructuren zijn gemodelleerd. De optische nano-antennes zijn te herkennen als de rechthoekige blokken. Een van de antennes wordt op de voorgrond bestraald met wit licht en licht zelf op in de kleur van zijn resonantie-frequentie. De opgedampte goudlaag links heeft een beduidend grovere structuur. Dit basismateriaal leverde eerst de nano-antennes, die tien keer minder effectief waren (foto: Thorsten Feichtner).
Vervaardiging
Nano-antennes voor licht werden tot nu toe gemaakt door meerdere metaallagen op een dragermateriaal op te dampen. Uit dit ruwe materiaal kon dan de gewenste vorm worden gehaald, ongeveer zoals bij beeld-houwen. De basisslagen bestaan echter uit veel aparte kleine kristallen, wat een korrelige structuur oplevert. Als men probeert om met een gebundelde ionenstraal uit een dergelijke ruwe laag gelaagde structuren te snijden met details in het nanometerbereik, ontstaan zeer onregelmatige vormen die niet de gewenste functie hebben.
De onderzoekers in Würzburg bewandelden een andere weg. Via de methode van chemische zelforganisatie verkregen ze gouden plaatjes, die uit slechts één goudkristal bestaan en geen korrelige structuur hebben. Uit deze plaatjes konden de onderzoekers met behulp van de ionenstraal nanostructuren modelleren, waarvan de snijranden zo vlak zijn als van een enkele laag goudatomen.
Lichtantennes, die op deze manier worden vervaardigd, concentreren het licht in de spleet tot tienmaal beter dan gebruikelijke antennes. Met de nieuwe methode staat voor de onderzoekers nu de weg open om complexe structuren met grote oppervlakken betrouwbaar en zonder fouten te maken. Op deze manier zijn toekomstige toepassingen zoals het creëren van kunstmatige lichtconcentratiepunten voor fotovoltaïk of de ontwikkeling van geïntegreerde optische schakelkringen een stuk realistischer geworden.
Nog niet op het dak
Voorlopig krijgt de mensheid op korte termijn echter nog geen efficiënte fotovoltaïk ter beschikking. De onderzoekers staan nog helemaal aan het begin; eerst moeten ze de basis van de potentie van de optische nano-antennes uitwerken. Met goud als basismateriaal gaat het momenteel het beste. Maar zonnecellen met goud op het dak van het huis zullen in de toekomst niet komen.
