3D-Plasmonen-Tomographie

Licht als Informationsträger ist aus der modernen Kommunikations­technologie nicht wegzudenken. Aufgrund der Wellennatur des Lichts und seiner Beugungs­grenze lässt es sich mit rein optischen Komponenten allerdings nur auf den Mikrometer­bereich fokussieren. Ulrich Hohenester vom Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz erklärt: „Um eine effizientere Wechsel­wirkung zwischen Photonen und Nanostrukturen zu ermöglichen, koppeln wir im Forschungsfeld der Plasmonik Licht an metallische Nano­partikel, etwa Gold oder Silber.“ Abhängig von Größe, Form, Umgebung und Material bilden sich resonant schwingende Elektronen­wolken aus, d.h. Oberflächen­plasmonen. Hohenester weiter: „Diese kollektive Elektronen­schwingung ermöglicht uns eine Licht­fokussierung im Nanometer­bereich und so vielfältige Anwendungen in der Sensorik oder Photovoltaik.“

Möglich wird die direkte Beobachtung der Plasmonen­felder erst dank Österreichs leistungs­fähigstem Elektronen­mikroskop ASTEM, Austrian Scanning Transmission Electron Microscope, am Zentrum für Elektronen­mikroskopie Graz. Die Elektronen­mikroskopie hat sich in den letzten Jahren als ideale Methode zur Vermessung von Plasmonen­feldern entwickelt.

Gerald Kothleitner, Leiter der Arbeitsgruppe für analytische Transmissions­elektronen­mikroskopie des Instituts für Elektronen­mikroskopie und Nano­analytik der TU Graz führt aus: „Ein hoch­energetischer Elektronen­strahl bewegt sich nah an der Probe vorbei oder durchdringt diese. Elektronen in der Umgebung der Probe erfahren Energie­verluste, die wir spektroskopisch messen können. So entstehen zwei­dimensionale Abbildungen der Plasmonen­felder mit Sub-Nanometer­auflösung. Informationen über die dritte Raumrichtung, entlang der sich die Elektronen bewegen, gehen bei diesem Verfahren zunächst verloren.“

In einer neuen Studie konnten die Grazer Forscher nun erstmals zeigen, dass durch Drehung der Probe und Bearbeitung einer Serie von gekippten, zwei­dimensionalen Projektionen die dritte Dimension vollständig im Rahmen einer tomographischen Aufnahme rekonstruiert werden kann. Diese Methode funktioniert ähnlich der in der Medizin angewandten Computer­tomographie und trägt in Anlehnung dazu die Bezeichnung 3D-Plasmonen-Tomographie. Kothleitner und Hohenester über die Auswirkungen ihres Forschungs­erfolges: „Durch dieses neuartige Verfahren wird es nun erstmals möglich, die Plasmonen­felder so zu vermessen, dass damit Anwendungen im Bereich der Sensorik, Solarzellen­technologie und Computer-Storage besser verstanden oder überhaupt erst möglich werden.“

TU Graz / DE