Zum ersten Mal in 3D visualisierte elektromagnetische Felder von Nanostrukturen

Zum ersten Mal in 3D visualisierte elektromagnetische Felder von Nanostrukturen

BILD: von links nach rechts: Die Physiker Gerald Kothleitner (TU Graz), Ulrich Hohenester (Uni Graz) und Georg Haberfehlner (TU Graz) haben es zusammen mit französischen Experten erstmals geschafft, die Zeit zu visualisieren … Nach dem

Bildnachweis: Lunghammer – TU Graz

Ob für Mikroskopie, Datenspeicherung oder Sensortechnologie, viele fortschrittliche technologische Anwendungen, die bestimmte Funktionen erfordern, hängen von der Struktur des elektromagnetischen Feldes in der Nähe der Materialoberflächen ab. In Nanosystemen leisten die sogenannten Oberflächenphononen, d. H. Die zeitlichen Verzerrungen des Atomgitters, einen entscheidenden Beitrag zu den physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften.

Wenn Oberflächenphononen spezifisch manipuliert werden könnten, wäre es möglich, mit Nanoflächen eine bessere Wärmeleitung oder eine bessere Wärmeübertragung zwischen zwei Komponenten zu erreichen. Dies könnte beispielsweise in Detektoren, Sensoren oder in sehr effizienten passiven Kühlsystemen eingesetzt werden. Zusätzlich konzentrieren Oberflächenphononen elektromagnetische Energie spektral im fernen Infrarotbereich. Dies ebnet den Weg für hochauflösende Objektive, verbesserte Schwingungsspektroskopie oder andere faszinierende Anwendungen.

Elektromagnetische Felder in der Nähe von Nanostrukturen

Trotz seines enormen Potenzials ist dieses Gebiet der Festkörperphysik noch wenig erforscht. Für die Entwicklung neuer Nanotechnologien müssen diese Felder zunächst im nanometrischen Maßstab sichtbar gemacht werden. „Die Visualisierung dieser lokalen Felder ist der Ausgangspunkt für ein tieferes Verständnis der Grundlagen und für ein besseres Design von Nanostrukturen“, sagt Gerald Kothleitner, Direktor des Instituts für Elektronenmikroskopie und Nanoanalyse an der TU Graz. “Elektronenmikroskope, die stark genug sind, um selbst die relativ niedrige Energie von Phononen aufzuzeichnen, wurden erst seit einigen Jahren entwickelt. Bisher konnten sie jedoch nur unzureichend gemessen werden, bestenfalls in zwei Dimensionen.”

Erste 3D-Bildgebung von Oberflächenphononen

Mit dem Orsay Solid Physics Laboratory (LPS) gelang es Gerald Kothleitner, seinem Kollegen vom Georg Haberfehlner Institut und Ulrich Hohenester vom Institut für Physik der Universität Graz erstmals, dreidimensionale Oberflächen von Phononen abzubilden. Die Ergebnisse wurden in der veröffentlicht Wissenschaft Zeitung.

Kothleitner, korrespondierender Autor der Studie: „Wir haben diese Gitterschwingungen mit einem Elektronenstrahl angeregt, mit speziellen spektroskopischen Methoden gemessen und anschließend mittels Tomographie rekonstruiert. Infolgedessen wurden erstmals Infrarotlichtfelder, die von Oberflächenphononen eines Magnesiumoxid-Nanowürfels erzeugt wurden, dreidimensional sichtbar, und die räumliche Verteilung war erkennbar. Insbesondere konnten wir damit auch Standorte mit hohen Feldverbesserungen und den daraus resultierenden starken Wechselwirkungen bestimmter Phononen mit der Umgebung abbilden. “”

Die Entwicklung der Methodik und die Implementierung der neuen tomographischen Rekonstruktion erfolgte unter Anleitung der Universität Graz. Ulrich Hohenester zieht Parallelen zwischen dem bekannten Röntgenbild und dem Computertomographieprozess: “Aus vielen zusammengesetzten 2D-Projektionen kann eine 3D-Rekonstruktion des Objekts erstellt werden.” Anstelle des Röntgenstrahls verwendeten die Physiker einen Elektronenstrahl, der mit Infrarotlichtfeldern anstelle von Knochen und Gewebe interagiert. „Wie bei einer Geige oder einer Gitarre“, sagt Hohenester, „werden die Schwingungen auf der Oberfläche des Nanowürfels in eine Reihe von Resonanzen zerlegt. Diese Modi werden dann ausgewählt, um die bestmögliche Übereinstimmung mit den experimentellen Daten zu erzielen. “

Elektronenmikroskopische Bildgebungstechniken als Erfolgsfaktor

Die erste umfassende Auswertung und 3D-Darstellung elektromagnetischer Felder ist ein Erfolg, der auf die enge Zusammenarbeit der TU Graz und der Universität Graz im Rahmen des “NAWI Graz” zurückzuführen ist. Ein hochmodernes Transmissions-Rasterelektronenmikroskop (STEM) wurde verwendet, um diese Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie im nanometrischen Maßstab zu messen. Es gibt nur eine Handvoll solcher Mikroskope auf der Welt, die dies zulassen, und eines davon befindet sich in Orsay.

Das Konzept der 3D-Phononenbildgebung wurde von Gerald Kothleitner in Zusammenarbeit mit Orsay während der Projektplanung eines europaweiten Projekts namens ESTEEM 3 entwickelt: In diesem Projekt werden unter anderem neue elektronenmikroskopische Techniken entwickelt. Auf dem Gebiet der angewandten Elektronenenergieverlustspektroskopie und Elektronentomographie gehören Forscher der TU Graz zu den weltweit führenden Arbeitsgruppen.

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Die Werke veröffentlicht in Wissenschaft wurde im Rahmen eines EU-Projekts zur Elektronenmikroskopie namens “ESTEEM 3” durchgeführt. Das Blei wurde zwischen FELMI / TU Graz und LPS Orsay geteilt, wobei Messungen an kubischen Magnesiumoxid-Nanopartikeln in Orsay sowie Datenanalyse und 3D-Rekonstruktion Teil des Fachwissens von FELMI waren. Die theoretischen Grundlagen und die Phononensimulationssoftware wurden an der Universität Graz im Rahmen des FWF-Projekts “Resonanzmodi plasmonischer Nanopartikel” entwickelt.

Diese Arbeit ist im Fachgebiet “Science of Advanced Materials” verankert, einem der fünf Bereiche der strategischen Intervention der TU Graz.

Zum Originalpapier:

Dreidimensionale Vektorabbildung von Oberflächenphononenpolaritonen. Xiaoyan Li, Georg Haberfehlner, Ulrich Hohenester, Odile Stephan, Gerald Kothleitner, Mathieu Kociak. Wissenschaft, März 2021. Vol. 371, Nummer 6536. DOI: 10.1126 / science.abg0330

https: //.Wissenschaft.sciencemag.org /Inhalt/371 /6536 /1364 /tab-article-info

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