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Grazer Forschern gelingt 3D-Charakterisierung von Nanoobjekten

29.10.2015

Durchbruch in der Analyse von Nanostrukturen: Forscher aus Graz haben erstmals nano-skalige Objekte chemisch, strukturell und hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften in 3D untersuchbar gemacht. Die neue atomar auflösende Elektronentomografie nennt sich „Atomografie“ und eröffnet neue Wege in der Materialforschung. Über die Ergebnisse des Teams von TU Graz, Zentrum für Elektronenmikroskopie (ZFE) der Austrian Cooperative Research und Uni Graz berichten aktuell die angesehenen Fachjournale Nature Communications und Nano Letters.

Gleich zwei hochkarätige Publikationen in international angesehen Fachjournalen geben aktuell Zeugnis über die fruchtvolle und kooperative Forschungsarbeit im Bereich der Nanoanalytik von Physikern und Materialforschern der TU Graz (FELMI und Institut für Experimentalphysik), des Zentrums für Elektronenmikroskopie (ZFE) der Austrian Cooperative Research (ACR) und der Karl-Franzens Universität Graz.


ASTEM ist eines der weltweit leistungsfähigsten analytischen Elektronenmikroskope. Im Bild die Grazer Hauptautoren der jüngsten Publikation zur "Atomografie" in Nature Communications.

Lunghammer - TU Graz

Ein detailliertes Verständnis über Materialstruktur und -eigenschaft ist das Um und Auf in der Erforschung neuartiger Materialien, wie Arbeitsgruppenleiter Gerald Kothleitner vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz (FELMI) schildert:

„Um Materialien in ihrer Eigenschaftskomplexität verstehen zu können, müssen wir Methoden zur Herstellung, zur Simulation und zur Charakterisierung entwickeln und verknüpfen. Unsere Methode der Elektronentomografie kann Nano-Strukturen nicht nur drei-dimensional atomar abbilden, sondern auch mit physikalisch-strukturellen Eigenschaften korrelieren.“

„Atomografie“

„Atomografie“ nennt sich diese neue, atomar aufgelöste Elektronentomografie, die ein bisher nicht dagewesenes Verständnis für Materialien in ihrer chemischen und strukturellen Zusammensetzung ermöglicht. „Dem anwendungsspezifisch ideal designtem Material sind wir mit der neuen Analysemethode einen großen Schritt näher. Wir wissen nun, welche Atome sich in einem Nanocluster befinden und wie diese Atome angeordnet sind. Wir haben erstmals einen dreidimensionalen Blick auf die chemische und strukturelle Zusammensetzung von Nanoteilchen“, erklärt Kothleitner. Möglich machen das ganz wesentlich das Elektronenmikroskop ASTEM und die am FELMI von Georg Haberfehlner entwickelten 3-dimensionalen Abbildungsmethoden: Damit lässt sich feststellen, aus welchen Elementen sich eine Probe zusammensetzt und welche Atome sich an welchen Positionen befinden.

Gold, Silber und Plasmonen

Die in Nature Communications veröffentlichte Studie basiert auf der gezielten Herstellung eines Nanoclusters aus wenigen Gold- und Silberatomen. Die definierte Herstellung solcher metallischer Nanocluster ist schwierig, präpariert wurde diese spezielle Probe am Institut für Experimentalphysik der TU Graz im Team von Wolfgang Ernst. Das Nanoteilchen haben die Forscher am FELMI-ZFE dann mittels „Atomografie“ aus allen Perspektiven untersucht, analysiert und abgebildet.

Eine weitere Publikation in Nano Letters entspringt einer Zusammenarbeit von Gerald Kothleitner und Georg Haberfehlner am FELMI-ZFE Graz mit dem Institut für Physik der Uni Graz rund um Ulrich Hohenester und Andreas Trügler – und ist damit ein Erfolg der Kooperation NAWI Graz. Hier gelang die drei-dimensionale Simulation und Abbildung elektromagnetischer Felder – sogenannter Oberflächenplasmonen – auf gekoppelten Silberquadern und damit erstmals ein direkter und quantitativer Vergleich zwischen Simulation und Experiment. Für technologische Anwendungen, beispielsweise in der (Bio)Sensorik, Photovoltaik oder der optischen Datenverarbeitung, ist dieser Fortschritt enorm wichtig.

Mit ASTEM an die internationale Spitze

ASTEM ist eines der weltweit leistungsfähigsten analytischen Elektronenmikroskope. Das Transmissions-Elektronenmikroskop steht am Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz, kurz ZFE, mit dem die TU Graz eng kooperiert. ASTEM steht für „Austrian Scanning Transmission Electron Microscope“ und ist als Rastertransmissionselektronenmikroskop ein spezieller Typ eines Elektronenmikroskops.

Das Gerät ermöglicht Messungen von unglaublicher Exaktheit: Ein mit 70 Picometern – ein Picometer entspricht einem Milliardstel Millimeter – fast unvorstellbar feiner Elektronenstrahl tastet die Oberfläche des Stoffs ab. Die TU Graz nutzt das Großgerät gemeinsam mit dem Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz, einem Mitglied der Austrian Cooperative Research (ACR), der Vereinigung der Kooperativen Forschungsinstitute der österreichischen Wirtschaft.

An der TU Graz ist dieses Forschungsprojekt im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten.

Zur Originalpublikation Nature Communications (doi:10.1038/ncomms9779): http://www.nature.com/ncomms/2015/151028/ncomms9779/full/ncomms9779.html
Zur Originalpublikation Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03780): http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b03780

Bildmaterial bei Nennung der angeführten Quellen honorarfrei verfügbar unter http://presse.tugraz.at/webgalleryBDR/data/Atomografie_2015/index.htm


Kontakt:
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Gerald Kothleitner
FELMI-ZFE
Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik
Tel.: 0676 789 9999
E-Mail: gerald.kothleitner@felmi-zfe.at

Mag. Susanne Eigner | Technische Universität Graz

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