A plazmonikus struktúrák megértése és használata újabb kísérleteket és alkalmazásokat indukálhat.
A fémek elektronjai a fény elektromágneses terének megfelelő gyorsaságú rezgésre kényszeríthetők – az így keletkező elektrongerjesztéseket nevezik felületi plazmonnak. Központunk Ultragyors Nanotudomány Csoportja egyedi eszközparkja segítségével olyan nanoszerkezeteket is képes előállítani, amelyekben plazmonok gerjeszthetők – segítségükkel pedig 10x10x10 nanométeres térfogatba koncentrálható a lézerek energiája.
„A fókuszált ionsugaras berendezésünk elektronforrásának elektronjait maximum 30 kilovolttal gyorsítjuk, majd elektronlencsékkel a mintára fókuszáljuk, hogy pontról pontra letapogassuk azt. A becsapódó elektron a mintából másodlagos/ visszaszórt elektronokat vált ki, ezek összegyűjtésével alapvető információkat kapunk a minta szerkezetéről, felületéről” – tájékoztat Budai Judit tudományos munkatárs.
Ez a kísérleti eszköz annyival több az átlagos elektronmikroszkópnál, hogy egy galliumforrás is része a rendszernek, amely cseppfolyós galliumból galliumionokat állít elő. Az elektronmikroszkóp ezeket az ionokat is fókuszálja, amelyek a gyorsítás után szintén a mintába csapódnak. Mivel a gallium ion jóval nehezebb az elektronnál, becsapódáskor porlasztja a mintát. A gallium ionnal a különleges hordozóra felvitt aranyrétegből meghatározott nanométeres formák marhatók ki, illetve rajzolhatók körbe, éppen úgy, mint egy ipari marógéppel – csak éppen nanoméretben. A galliummal tetszőleges nanoalakzatok, optikai rácsok vagy akár úgynevezett metaanyagok alakíthatók ki. Ezek apró építőelemekként szolgálhatnak jövőbeli optikai áramkörökhöz.
További érdekes alkalmazás speciális lencse megformálása különböző síkfelületeken. Ezt úgy kell elképzelni, hogy egy vékony rétegre sok-sok koncentrikus kört marnak kollégáink, ami röntgen hullámhossz tartományban lencseként fókuszálja, vagy párhuzamosítja a röntgensugarakat.
Ultragyors ellipszométerünk az anyagok törésmutatójának meghatározására alkalmas szilárd anyagokban, de akár egy grafénréteg vastagságát is lemérhetik. Budai Judit szerint a lézerimpulzussal – jelen esetben tíz femtoszekundumossal - gerjesztett mintában megváltozik az elektronok eloszlása, ami az optikai tulajdonságok változását hozza el. Ha ezt mérni tudják, visszakövetkeztethetnek arra, hogyan változott a mintában az elektroneloszlás. Megjelentek-e nagyenergiás elektronok, milyen csatornákon történik az energiaátadás? Ez alapján feltárhatják az anyagban lezajlott folyamatokat, amelyek alapvető fontosságúak mindenütt, ahol a fény energiáját elektromos árammá alakítjuk át, így például a napelemek működésében.
A nanoszobrászok harmadik berendezésének a lelke egy speciális atomerő-mikroszkóp (AFM). Annak rezegtetett tűje tapogatja le a mintát, további lehetőségként lézer is fókuszálható a tű hegyére, aminek az úgynevezett közeltere kölcsönhatásba lép a mintával. Az ott keletkező visszaszórt fény szintén a minta szerkezetéről, optikai tulajdonságairól ad hasznos információkat. Mivel a tű hegyét mindössze néhány atom alkotja, így a vizsgált anyag felülete elképzelhetetlen részletességgel tapogatható le.
Különleges elektronmikroszkópunk - az elektronsugaras litográfiai berendezés - tetszőleges útvonal mentén mozgatja a minta fölött az elektronnyalábot. Ennél az eszköznél a nanoszobrászkodáshoz először olyan anyag kell, aminek megváltozik az oldhatósága az elektronsugár hatására. Első lépésként a hordozóra felvisznek pár száz nanométeres vastagságú, elektronrezisztnek nevezett réteget – ennek változik meg az oldhatósága. Ezt követően az előre meghatározott nanostruktúrát beégetik, ami kissé módosítja a reziszt kötésszerkezetét. Megfelelő vegyszerbe helyezve a mintát, a nanoszerkezet negatív képe marad vissza. Ezután tetszőleges anyagot párologtatnak a felületre, ami részben a hordozóra, részben az elektronrezisztre tapad. Alkalmas oldószerbe téve a reziszt és a rajta lévő anyag leoldódik, és visszamarad a hordozón a kialakított nanostruktúra. Ezzel a módszerrel fizikusaink például a Szegedi Dóm egyszerűsített nanoméretű képét is megrajzolhatnák, helyette azonban egymástól pár mikrométeres távolságra harminc-negyven nanométeres vagy nagyobb formákat hoznak létre, de ha csupán egy vonal készítése a cél, akkor nyolc nanométeres rezisztcsíkot is lehet fabrikálni az eszközzel. Az elmúlt időszakban az előbb említett módszerrel elektródákat alakítottak ki, amelyek segítségével megfigyelhető volt, hogy ultrarövid lézerimpulzusok hatására különböző szigetelőanyagok vezetővé váltak néhány femtomásodpercig.
A magyarokon túl osztrák, német, svéd és horvát kutatók is felfedezték az itteni lehetőségeket, egyre sűrűbbek a megkeresések. Budai Judit szerint azért is izgalmas ez a munka, mert a plazmonikus struktúrák megértése és használata újabb kísérleteket és alkalmazásokat indukálhat. Az egyik ígéretes felhasználási terület például ultragyors optikai áramkörök kialakítása lehet.
Fotók: Balázs Gábor
Szöveg: Ötvös Zoltán