Social Distancing im Nanokosmos

Interlagen-Exzitonen (gläserne Ellipsoide), die sich bilden können, wenn Elektronen und Löcher (rote und blaue Kugeln) zwischen optisch angeregten atomar dünnen Festkörperschichten (obere und untere Lage) getrennt werden.
©Markus Plankl (2021)

Forscher:innen an der Universität Regensburg konnten zum ersten Mal die Bewegung von Elektronen von einer atomar dünnen Schicht in eine andere mit Nanometer-Auflösung beobachten. Und das kontaktfrei. Das neue Nanoskopie-Verfahren, das großes Potential in der Untersuchung von leitenden, nichtleitenden und supraleitenden Materialien hat, wird in der neuesten Ausgabe des Wissenschaftsjournals Nature Photonics vorgestellt.

Nanotechnologie klingt manchmal wie Science Fiction, dabei ist sie bereits fester Bestandteil moderner Elektronik in unseren Computern, Smartphones oder im Auto. Strukturgrößen elektronischer Bauteile, wie Transistoren oder Dioden, bewegen sich längst im Nanometerbereich, einem Millionstel-Bruchteil eines Millimeters.

Konventionelle Lichtmikroskope reichen nicht aus, um solche Bauteile zu inspizieren. Um innovative Nanotechnologie der Zukunft zu entwickeln, werden in der Wissenschaft deshalb viel aufwändigere Mikroskope, wie Elektronen- oder Raster-Tunnel-Mikroskope, eingesetzt. Allerdings können die zur Detektion verwendeten Elektronen das zu untersuchende System selbst stark beeinflussen. Zudem sind wichtige Verfahren auf die Messung elektrisch leitfähiger Proben beschränkt.

Ein Physikforschungsteam um Professor Dr. Rupert Huber und Professor Dr. Jaroslav Fabian am Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) der Universität Regensburg haben nun gemeinsam mit Kolleg:innen aus den USA und Großbritannien eine neue Methode vorgestellt, welche Elektronenbewegung auf der Nanometerskala nicht nur kontaktfrei auflösen und damit auch isolierende Proben untersuchen kann: Die Methode erreicht zudem eine unvorstellbar hohe Zeitauflösung von Femtosekunden, also Billiardstelsekunden. Sie kann damit mikroskopische Zeitlupenfilme von ultraschneller Elektronenbewegung auf der Nanoskala aufzeichnen.

Das Prinzip funktioniert ähnlich dem kontaktlosen Bezahlen, das spätestens seit der Pandemie zum Alltag gehört (Chipkarte, Handy, Scanner). Auf der Makroskala sind dafür standardisierte Frequenzen und Protokolle etabliert, z. B. NFC – Near Field Communication. Die Forscher:innen übertrugen diese Idee nun auf die Nanoskala. Dazu verwendeten sie eine scharfe Metallspitze als Nano-Antenne, die sie in die Nähe der zu untersuchenden Struktur brachten. Im Gegensatz zu existierenden Methoden, in denen über scharfe Spitzen Strom durch die Probe getrieben wurde, tastet im neuen Verfahren ein schwaches elektromagnetisches Wechselfeld die Probe kontaktfrei ab.

Die verwendete Frequenz liegt hierbei im Terahertz-Bereich, etwa 100.000-mal höher als in NFC-Scannern. Kleinste Änderungen in den schwachen elektrischen Feldern erlauben dann präzise Rückschlüsse auf die lokale Elektronenbewegung im Material. Eine realistische Quantentheorie zeigt, dass dieses Verfahren auch quantitative Aussagen ermöglicht. Um zudem hohe Zeitauflösung zu erreichen, benutzten die Physiker und Physikerinnen extrem kurze Lichtblitze, mit denen scharfe Schnappschüsse der Bewegung von Elektronen über Nanometer-Distanzen gemacht werden können.

Als erstes Untersuchungsobjekt wählte das Team eine Probe aus einer neuen Klasse von schichtartig gewachsenen Festkörpern, sogenannten Dichalkogeniden, die in atomar dünnen Lagen hergestellt werden können. Wenn solche Schichten unter frei wählbaren Winkeln aufeinandergestapelt werden, entstehen künstliche Festkörper mit ganz neuartigen Materialeigenschaften, die in Regensburg prominent im Rahmen des Sonderforschungsbereich 1277 erforscht werden. In der untersuchten Probe wurden zwei unterschiedliche atomar dünne Dichalkogenide gestapelt, um das Herzstück einer futuristischen Solarzelle zu testen.

Wenn diese Struktur mit grünem Licht bestrahlt wird, bilden sich Ladungsträger, die je nach Polarität entweder in eine oder in die andere Richtung wandern – das Grundprinzip von Solarzellen, wo Licht in Strom umgewandelt wird. Die ultraschnelle Separation der Ladungsträger in die beiden Schichten konnten die Forscherinnen und Forscher nun sowohl in der Zeit als auch räumlich mit Nanometer-Auflösung beobachten. Zu ihrer Überraschung entdeckten sie, dass Ladungstrennung selbst dann noch zuverlässig funktioniert, wenn die Festkörperschichten sich wie ein Miniteppich über winzige Verunreinigungen auf dem Substrat legen – wichtige Einsichten, um diese neuen Materialien für ihren zukünftigen Einsatz als Solarzellen oder Computerchips fit zu machen.

Die Euphorie des Forschungsteams ist kaum zu bremsen: „Als nächstes wollen wir uns gleich weitere faszinierende Ladungstransferprozesse in Isolatoren, leitenden und sogar supraleitenden Materialien vornehmen“ erklärt Markus Plankl, der Erstautor der Publikation. Professor Dr. Rupert Huber ergänzt: „Das neue Verfahren kommt genau zur richtigen Zeit. Neben künstlichen Nanostrukturen aus der Physik könnten nun auch bislang unzugängliche Quantenvorgänge in biologischen Systemen visualisiert werden.“ Das derzeit im Bau befindliche neue RUN-Gebäude auf dem Uni-Campus bietet in jedem Fall das bestmögliche Umfeld für eine solche interdisziplinäre Erforschung des Nanokosmos.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Rupert Huber
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Universität Regensburg
Telefon: 0941 943-2071
E-Mail: rupert.huber@ur.de
http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/huber/home.html

Prof. Dr. Jaroslav Fabian
Lehrstuhl für Theoretische Physik
Universität Regensburg
E-Mail: jaroslav.fabian@ur.de
http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/fabian/index.html

Originalpublikation:

M. Plankl, P. E. Faria Junior, F. Mooshammer, T. Siday, M. Zizlsperger, F. Sandner, F. Schiegl, S. Maier, M. A. Huber, M. Gmitra, J. Fabian, J. L. Boland, T. L. Cocker and R. Huber, „Subcycle contact-free nanoscopy of ultrafast interlayer transport in atomically thin
heterostructures“, Nature Photonics (2021) DOI: 10.1038/s41566-021-00813-y
https://dx.doi.org/10.1038/s41566-021-00813-y

http://www.uni-regensburg.de/

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