Nanoröhren als Polarisationssensoren

Mit Kohlenstoffnanoröhren lässt sich die Polarisation des optischen Nahfeldes messen.  

Durch die optische Nahfeldmikroskopie ist es möglich geworden, Objektdetails sichtbar zu machen, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des zur Abbildung benutzten Lichtes. Das Licht wird dabei z. B. mit einer feinen beschichteten Glasfaserspitze in unmittelbarer Nähe des Objekts aufgenommen und abgeleitet. Andere Nahfelddetektoren sind Goldnanopartikel oder fluoreszierende Moleküle, deren optische Eigenschaften vom Nahfeld des Objekts beeinflusst werden. Die Polarisation des Nahfeldes ließ sich aber auf diese Weise bisher nicht bestimmen. Mit Kohlenstoffnanoröhren konnte jetzt erstmals sichtbar gemacht werden, wie das Nahfeld einer regelmäßigen Anordnung aus zum Leuchten angeregten Goldnanoteilchen polarisiert ist.

Abb.: Kohlenstoffnanoröhren „fühlen“, wie das optische Nahfeld eines Schachbrettmusters aus Goldnanoscheiben polarisiert ist. (Bild: Ertugrul Cubukcu et al.)

Dabei nutzten Federico Capasso und seine Mitarbeiter von der Harvard Universität aus, dass einwandige Kohlenstoffnanoröhren Licht resonant absorbieren und streuen können. Die Absorption wird allerdings stark unterdrückt, wenn das Licht quer zur Achse der Nanoröhre polarisiert ist. Normalerweise sind in einer Materialprobe aus Kohlenstoffnanoröhren die Röhrenachsen zufällig ausgerichtet, sodass die Probe das anisotrope Verhalten der einzelnen Röhren nicht zeigt. Inzwischen kann man jedoch größere Mengen von Nanoröhren mit einheitlicher Ausrichtung herstellen, indem man sie durch Gasphasenabscheidung in den parallelen Oberflächenstufen von schräg angeschnittenen Quarzkristallen wachsen lässt. Diese (nahezu) parallelen Nanoröhren zeigen dann bei der Lichtabsorption die gewünschte Polarisationsabhängigkeit. Bringt man die Röhren in das Nahfeld eines strahlenden Objekts, so kann man mit ihnen die Polarisation des Feldes ausloten.  

Als strahlendes mikroskopisches Objekt verwendeten die Forscher ein Schachbrettmuster aus Goldnanoscheiben, die 30 nm dick waren und einen Durchmesser von 130 nm hatten. Die Scheiben saßen auf einer Quarzoberfläche, auf der anschließend die Kohlenstoffnanoröhren hergestellt wurden. Bei der Untersuchung mit einem Rasterkraftmikroskop zeigte es sich, dass die Röhren nahezu parallel zum Schachbrettmuster ausgerichtet waren und dass sie den Goldscheiben auf wenige Nanometer nahe kamen oder sie sogar berührten. Mit einem schwachen, fokussierten Laserstrahl, der senkrecht auf die Quarzoberfläche einfiel und parallel zur ihr polarisiert war, regten die Forscher die Goldscheiben zum Leuchten an. Sie stellten fest, dass die Resonanzwellenlänge des Scheibenmusters praktisch nicht von der Polarisationsrichtung des Laserlichts abhing.  

Theoretische Berechnungen ergaben, dass das auf die ausgerichteten Röhren wirkende Nahfeld sehr wohl von der Polarisationsrichtung des anregenden Lasers abhing. Da das Nahfeld die optischen Eigenschaften der Röhren wie etwa ihre Raman-Strahlung veränderte, ohne selbst merklich von ihnen beeinflusst zu werden, eröffnete sich eine Möglichkeit, die Polarisation des Nahfeldes zu messen. Dazu bestrahlten die Forscher die Nanoröhren mit einem Helium-Neon-Laser und fingen die zurückgeworfene Raman-Strahlung auf. Es stellte sich heraus, dass die Raman-Strahlung wesentlich intensiver war, wenn der Laser, der die Goldscheiben anregte, parallel zu den Röhren polarisiert war als wenn seine Polarisation senkrecht dazu stand.  

Da die Röhren fest auf der Oberfläche saßen, konnten sie leider nicht als bewegliche Sonden eingesetzt werden, um die Polarisation des Nahfeldes der Goldscheiben an beliebigen Punkten zu bestimmen. Es kam allerdings vor, dass einzelne Nanoröhren nicht perfekt ausgerichtet waren sondern ein wenig schräg verliefen. Solch eine Röhre berührte einige Scheiben einer Reihe an der einen Seite, lief dann über die nächsten Scheiben hinweg, um schließlich die folgenden Scheiben von der anderen Seite zu berühren. Dadurch loteten die verschiedenen Abschnitte der Röhre das Nahfeld der Goldscheiben an unterschiedlichen Stellen aus. Die räumlich aufgelöste Raman-Strahlung solch einer Röhre machte deshalb nicht nur die Polarisation des Nahfeldes sichtbar sondern auch seine Änderung entlang der Röhre. Ein Vergleich der gemessenen Raman-Strahlung mit Modellrechnungen zeigte gute Übereinstimmung. Die Röhren hatten die Polarisationseigenschaften des Nahfeldes auch räumlich aufgelöst. Durch die Kombination von metallischen Nanoteilchen und Nanoröhren eröffnen sich für die Nahfeldmikroskopie und die Nanophotonik viele neue Möglichkeiten.

RAINER SCHARF  

Weitere Infos :

• Originalveröffentlichung:
  Ertugrul Cubukcu et al.: Aligned-carbon nanotubes as polarization sensitive molecular near-field detectors. PNAS (published online before print)
  http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0812217106
  http://www.pnas.org/cgi/content/full/0812217106/DCSupplemental
  (BISHER NOCH NICHT ONLINE!)
• Gruppe von Federico Capasso an der Harvard University:
  http://www.seas.harvard.edu/capasso/ 
  

Weitere Literatur:  

• Elizabeth J. Smythe, Ertugrul Cubukcu, and Federico Capasso: Optical properties of surface plasmon resonances of coupled metallic nanorods. Optics Express 15, 7439 (2007)
  http://www.seas.harvard.edu/capasso/publications/Smythe_Opt_Express_15_7439_2007.pdf (frei)
• C. Kocabas et al.: Guided growth of large-scale, horizontally aligned arrays of single-walled carbon nanotubes and their use in thin-film transistors. Small 1, 1110 (2005)
  http://rogers.mse.uiuc.edu/files%5C2005%5Calignedsmall.pdf (frei)

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