Elektromagnetische Felder von Nanostrukturen erstmals in 3D abgebildet

(v.l.) Gerald Kothleitner (TU Graz), Ulrich Hohenester (Uni Graz) und Georg Haberfehlner (TU Graz).
Helmut Lunghammer - TU Graz

Forschern der TU Graz und Universität Graz ist es gemeinsam mit Fachleuten aus Frankreich gelungen, sogenannte Oberflächenphononen erstmals dreidimensional abzubilden. Der Forschungserfolg könnte die Entwicklung neuer, effizienter Nanotechnologien beschleunigen.

Ob für die Mikroskopie, die Datenspeicherung oder die Sensorik: Viele fortgeschrittene technologische Anwendungen, die spezifische Funktionen erfordern, beruhen auf der Struktur des elektromagnetischen Feldes in der Nähe der Oberflächen von Materialien. An Nanosystemen tragen sogenannte Oberflächenphononen, also zeitliche Verzerrungen des Atomgitters, entscheidend zu den physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften bei.

Könnte man Oberflächenphononen gezielt manipulieren, könnte man eine bessere Wärmeleitung bzw. Wärmeübertragung zwischen zwei Bauteilen mit Nanooberflächen erwirken – was beispielsweise für Detektoren, Sensoren oder für hocheffiziente passive Kühlsysteme genutzt werden könnte. Darüber hinaus konzentrieren Oberflächenphononen elektromagnetische Energie spektral bis in den fernen Infrarotbereich. Das ebnet den Weg für superauflösende Linsen, verbesserte Schwingungsspektroskopie oder weitere faszinierende Anwendungen.

Elektromagnetische Felder in der Nähe von Nanostrukturen

Trotz des enormen Potenzials ist dieses Gebiet der Festkörperphysik noch wenig erforscht. Denn für die Erschließung neuer Nanotechnologien müssen diese Felder erst auf der Nanometerskala sichtbar gemacht werden: „Die Visualisierung dieser lokalen Felder ist der Ausgangspunkt für ein tieferes Grundlagenverständnis und für ein besseres Design von Nanostrukturen“, weiß Gerald Kothleitner, Leiter des Instituts für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz: „Erst vor wenigen Jahren wurden Elektronenmikroskope entwickelt, die leistungsfähig genug sind, um die relativ niedrige Energie von Phononen überhaupt zu registrieren. Bis dato konnten sie aber nur unzureichend, bestenfalls zweidimensional vermessen werden.“

Erste 3D-Abbildungen von Oberflächenphononen

Gemeinsam mit dem französischen Laboratoire de Physique des Solides (LPS) Orsay ist es Gerald Kothleitner, seinem Institutsmitarbeiter Georg Haberfehlner und Ulrich Hohenester vom Institut für Physik der Universität Graz nun erstmals gelungen, Oberflächenphononen dreidimensional abzubilden. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Science veröffentlicht.

Kothleitner, korrespondierender Autor der Studie: „Wir haben diese Gitterschwingungen mit einem Elektronenstrahl angeregt, mit speziellen spektroskopischen Methoden gemessen und anschließend tomografisch rekonstruiert. Dadurch wurden die von den Oberflächenphononen eines Magnesiumoxid-Nanowürfels erzeugten infraroten Lichtfelder erstmals dreidimensional sichtbar und die räumliche Verteilung erkennbar. Insbesondere konnten wir so auch die Orte mit hohen Feldverstärkungen und die damit starken Wechselwirkungen bestimmter Phononen mit der Umgebung darstellen.“

Die Entwicklung der Methodik und die Durchführung der neuartigen tomografischen Rekonstruktion erfolgten unter Federführung der Universität Graz. Ulrich Hohenester zieht Parallelen zwischen dem bekannten Röntgenbild und dem Computer-Tomografie-Verfahren: „Aus vielen zusammengesetzten 2D-Projektionen lässt sich eine 3D-Rekonstruktion des Objekts erstellen.“

Die Physiker*innen verwendeten dazu anstelle des Röntgenstrahls den Elektronenstrahl, der statt mit Knochen und Gewebe mit Infrarot-Lichtfeldern wechselwirkt. „Wie bei einer Violine oder Gitarre“, erklärt Hohenester, „werden die Schwingungen an der Oberfläche des Nanowürfels in eine Reihe von Resonanzen zerlegt. Diese Modi werden dann so gewählt, dass man eine möglichst gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten erhält.“

Elektronenmikroskopische Bildgebungsverfahren als Erfolgsfaktor

Die erste umfassende Auswertung und 3D-Darstellung elektromagnetischer Felder ist ein Erfolg, der auf die enge Kooperation von TU Graz und Uni Graz im Rahmen von „NAWI Graz“ zurückzuführen ist. Zum Einsatz kam dabei ein Rastertransmissionselektronenmikroskop der jüngsten Generation (STEM), mit dem diese Strahlungs-Materie-Wechselwirkungen auf der Nanometerskala vermessen wurde. Weltweit gibt es erst eine Handvoll solcher Mikroskope, die dies erlauben – eines davon steht in Orsay.

Das Konzept für die 3D-Aufnahme von Phononen wurde von Gerald Kothleitner gemeinsam mit Orsay während der Projektplanung für ein europaweit laufendes Projekt namens ESTEEM 3 entwickelt: ein Projekt, in dem unter anderem neue elektronenmikroskopische Verfahren erarbeitet werden. Im Bereich der angewandten Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie und Elektronentomographie sind die Forscher*innen der TU Graz unter den weltweit führenden Arbeitsgruppen.

Der Lead für diese Arbeit lag geteilt bei FELMI/TU Graz und dem LPS Orsay, wobei die Messungen an kubischen Magnesiumoxid-Nanopartikeln in Orsay und die Datenauswertung und 3D-Rekonstruktion im Bereich der Expertise des FELMI lagen. Theoretische Grundlagen, und Simulationssoftware für Phononen entstanden an der Universität Graz im Rahmen des FWF (Fonds zur Förderung wissenschaftlicher Forschung)-Projekts „Resonance modes of plasmonic nanoparticles“.

An der TU Graz ist diese Arbeit im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ (https://www.tugraz.at/forschung/fields-of-expertise/advanced-materials-science/u…) angesiedelt, einem von fünf strategischen Schwerpunktbereichen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Gerald KOTHLEITNER
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
TU Graz | Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik (FELMI)
Tel.: +43 316 873 8336
gerald.kothleitner@felmi-zfe.at

Originalpublikation:

Three-dimensional vectorial imaging of surface phonon polaritons. Xiaoyan Li, Georg Haberfehlner, Ulrich Hohenester, Odile Stéphan, Gerald Kothleitner, Mathieu Kociak. Science, März 2021. Vol. 371, Issue 6536. DOI: 10.1126/science.abg0330
https://science.sciencemag.org/content/371/6536/1364/tab-article-info

http://www.tugraz.at

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