Projektbereich D: Optische und magnetische Eigenschaften Nanostrukturen

Auch in der aktuellen Förderperiode wird den optischen und magnetischen Eigenschaften von Nanostrukturen ein eigener Projektbereich zugeordnet. Eine solche Zuordnung erscheint aufgrund der weiterhin rasanten Entwicklung auf diesen Gebieten mit ihren spezifischen Grundlagen- und Anwendungsaspekten gerechtfertigt. Dies ändert aber nichts an der fast selbstverständlichen Feststellung, dass das optische und magnetische Verhalten auf das Engste mit den elektronischen Eigenschaften von Nanostrukturen verknüpft ist. Daraus ergibt sich unmittelbar die enge Beziehung zwischen den Projektbereichen C und D. Nimmt man ferner hinzu, dass der Begriff ‚Nanostruktur’ nicht nur einzelne Nanokomponenten wie Nano-Teilchen oder -Drähte meint, sondern in der Mehrheit der Fälle Ensembles solcher Komponenten wie etwa räumlich geordnete oder ungeordnete Systeme von Nanoteilchen verschiedenster Komplexität, so wird klar, dass bei der Herstellung solcher Strukturen ‚bottom-up’-Prozesse, insbesondere verschiedenste Mechanismen der Selbstorganisation, eine entscheidende Rolle spielen. Über diesen Aspekt folgt auch die Verzahnung mit Projektbereich B. Ein Charakteristikum der Projekte ist sicherlich die Anpassung und Optimierung komplementärer Kompetenz, um eine geänderte Problemstellungen innerhalb der Projektbereiche bestmöglich zu bearbeiten. Dies zeigt sich unmittelbar in den neu formierten Teams und wurde nur durch die im Netzwerk erworbene Kenntnis, an welchem Standort sich denn ein entsprechend kompetenter Partner befindet, möglich. Hier zahlt sich jetzt die bisherige Standort-übergreifende Zusammenarbeit aus.

Aus dem Bereich der Nano-Optik/-Photonik finden sich im Bereich D zwei Projekte, eines davon mit Schwerpunkt auf den zu erwartenden optischen Nicht-Linearitäten von Nanostrukturen, das zweite zur Optik-basierten Nanobioanalytik. Dabei stützt sich das Projekt D2 auf plasmonische Effekte: Licht wird resonant in metallische Nanoantennen eingekoppelt, meist als Oberflächenplasmon geführt und fokussiert, um lokal stark überhöhte Intensitäten zu erzeugen, welche dann in Wechselwirkung mit Molekülen oder Nanoteilchen zu nicht-linearem optischen Verhalten Anlass geben. Die substrat-geträgerten Nanoantennen sollen ihre lokal auftretende Intensität in ein Lithiumniobat-Nanoteilchen einkoppeln, um dort nicht-lineare Effekte hervorzurufen. Es werden sowohl Einzelantennen wie auch verschiedene Antennenanordnungen untersucht. Das Projekt ist wieder ein Beispiel für die angesprochen Kompetenzoptimierung: Das Stuttgarter Know-how in optischer Messtechnik und Simulation wurde ergänzt durch die Freiburger „Kunst“, kristalline Lithiumniobat-Nanoteilchen herzustellen. Auch in D8 kommen metallische Nanostrukturen zum Einsatz, deren Signal verstärkende Wirkung im Bereich des „Mitt-Infraroten“ (3-15 μm) ausgenützt werden soll, um mittels eines neu konzipierten Sensors Spurenanalyse im Nanomaßstab betreiben zu können.

Vier Projekte des D-Bereiches befassen sich mit magnetischen Eigenschaften von Nanostrukturen, genauer mit Effekten, die sich dem Forschungsfeld „Spintronics“ zuordnen lassen. So wird in D3 die Wechselwirkung molekularer Magnete mit Graphen untersucht, um darauf aufbauend aus Graphen/Molekül-Hybriden molekulare Spinventile zu präparieren. Im Mittelpunkt der beiden Projekte D5 und D7 stehen kontrollierte lokale Spinmanipulation, wenn auch in völlig verschiedenen Systemen und mit unterschiedlichsten Ansätzen. In D5 sollen Fremdatom-Leerstellen-Komplexe in Diamant erzeugt und möglichst einzeln in p-i-n-Strukturen eingebettet werden, wobei der p-dotierte Teil mittels Focused Ion Beam (FIB) Methoden als Nanosäule gestaltet wird. Während die zunächst vorgesehenen Untersuchungen zur strahlenden Rekombination an solchen Anordnungen interessante Ergebnisse zum quantenoptischen Verhalten von Einzelphotonenquellen versprechen, besteht das Hauptziel darin, spinabhängige Ladungsträger-Rekombination durch Signaturen in elektrischen Kennlinien zu detektieren. In D7 wird der Spin dagegen von metallorganischen Molekülen mit magnetischem Moment getragen und seine Manipulation und Detektion erfolgt über die Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM). Ausgenützt wird hierbei, dass für geeignete Moleküle ihre Konformation auf einem Substrat, welche mit Hilfe des RTM detektiert oder beeinflusst werden kann, gekoppelt ist an den Spinzustand des Moleküls („high spin/low spin“-Übergänge). Das letzte noch nicht angesprochene Projekt D6 des D-Bereiches legt den Fokus auf das Magnetisierungsverhalten magnetischer Filme mit kontrolliert gestalteten nanoskaligen Lochmustern. Insbesondere lassen sich, wie in eigenen Vorarbeiten gezeigt, die beiden Grenzfälle von nm-breiten zusammenhängenden Materialstegen bis zu quasikontinuierlichen Filmen mit geringem Anteil von „Lochfläche“ präparieren. Solche perkolierenden Magnetmedien werden auch als Datenspeicher diskutiert, deshalb ist ihr dynamisches Schaltverhalten von besonderer Wichtigkeit. Entsprechend liegt die Hauptaktivität von D6 auf der Synchrotron-gestützten Untersuchung der Ummagneti-sierungsdynamik verschiedener Perkolationsgeometrien.

Die bereits angesprochene Kompetenzoptimierung bei der Zusammensetzung der Projekt-Teams spiegelt sich auch in der Interdisziplinarität wider, welche für eine erfolgreiche Problembearbeitung notwendig ist. So sind im D-Bereich experimentelle und theoretische Physiker, Chemiker aus den Bereichen organische und anorganische Synthese sowie der chemischen Analytik/Sensorik und Materialwissenschaftler vertreten.