Plasmonen auf dem Präsentierteller

Metallische Nanowürfel erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Aufgrund ihrer optischen Eigenschaften finden sie Verwendung in Wellen­leitern, Licht­konzentratoren, Resonatoren, Einzelmolekül-Sensoren oder auch in der Nahfeld-Mikroskopie und Raman-Spektroskopie. Diese vielfältigen Anwendungen basieren auf der abstimmbaren lokalen Verstärkung des elektro­magnetischen Feldes durch die Oberflächen­plasmonen der Nanowürfel. Diese quantisierten Schwingungen der Ladungs­dichte erhöhen die Feldstärke über dem Festkörper, sind jedoch schwer darzustellen. Eine neue tomo­graphische Methode ermöglicht es nun jedoch, die Plasmon-Resonanzen dreidimensional aufzulösen.

Physiker der Universität Cambridge kombinierten hierzu mehrere Verfahren in einer neuen Weise. Sie nutzen zunächst Elektronen­energie­verlust­spektroskopie (electron energy-loss spectroscopy – EELS) in einem Raster-Transmissions­elektronen­mikroskop, um Bilder von Silber-Nanowürfeln in verschiedenen Orientierungen aufzunehmen. Die Nanowürfel waren kubisch symmetrisch und besaßen eine Kantenlänge von rund hundert Nanometern sowie leicht abgerundete Ecken mit einem Krümmungsradius von etwa 5 Nanometern. Die Silberwürfelchen positionierten die Forscher auf einer nur dreißig Nanometer dünnen Unterlage aus Silizium­nitrid. Dieses Material wählten die Forscher, da es eine Bandlücke von ungefähr vier Elektronen­volt aufweist, was keine spektros­kopischen Konflikte mit den Nanowürfeln erzeugt. Denn diese erzeugen typische Elektronen­energie­verluste zwischen einem und vier Elektronenvolt.

Die Forscher durchleuchteten dann die Nanowürfel mit dem 300-Kilovolt-Elektronenstrahl unter verschiedenen Orientie­rungen, angefangen bei null Grad relativ zur (100)-Positionierung des Kristall­gitters und dann weiter in 15-Grad-Schritten bis hin zu 60 Grad. Die so gewonnenen Bilder zeigten ein merkliches Rauschen, weshalb die Forscher einen speziellen Ansatz wählten, um dennoch detaillierte Abbildungen der lokalen Oberflächen-Plasmon-Resonanzen zu erhalten. Mit Hilfe der nicht-negativen Matrix-Faktorisierung konnten sie ihre Messdaten in zwei Anteile zerlegen. Der eine Teil spiegelte die spektralen Eigenschaften wider, der andere die räumliche Verteilung. Als praktikabel für die dreidimensionale Visualisierung stellte es sich heraus, die Resonanzen in fünf Energiebänder zwischen gut zwei und dreieinhalb Elektronenvolt einzuteilen.

Um aus den zweidimensionalen Aufnahmen eine dreidimensionale Darstellung der Oberflächen­plasmon­schwingungen zu erhalten, bedienten die Forscher sich dann eines Algorithmus, der auf dem Verfahren des compressed sensing beruhte. Diese Theorie erlaubt es, auch aus wenigen Messungen auf die Eigenschaften eines Objekts zu schließen. Über einige Näherungsmethoden, die sich auch der Symmetrie­eigenschaften der Würfel verdankten, konnten die Wissenschaftler so die dreidimensionale Struktur der Oberflächen­plasmonen rekonstruieren. Dabei erzielten sie eine räumliche Auflösung von rund 15 Nanometern. Damit lassen sich etwa die abgerundeten Kanten der Silberwürfel nicht gut erkennen. Wie die Forscher berichten, könnte man die Auflösung durch eine größere Serie von Aufnahmen zwar noch ein wenig erhöhen. Letztlich setze hier aber die delokalisierte Natur der Plasmon­resonanzen eine Grenze.

Die fünf verschiedenen Energie­bänder sprachen auf unter­schiedliche Strukturen an. Das tiefste reagierte auf die unteren Ecken, die auf dem Silizium­nitrid auflagen; die beiden nächst­höheren vor allem auf die oberen Ecken sowie die unteren Kanten bzw. die untere Fläche. Die zweit­höchste Komponente zeigte die Kanten, die höchste die obere und Seitenflächen. In der Summe lieferte dies ein gutes drei­dimensionales Bild der Plasmonen auf den Silber­würfelchen.

Um ihr Verfahren zu prüfen, verglichen sie es anschließend mit simulierten Daten. Schließlich sind bei ihrer tomo­graphischen Rekonstruktion einige Näherungsmethoden notwendig, die in der Summe das Ergebnis signifikant verfälschen könnten. Simulation und Messergebnisse waren aber miteinander konsistent. Kleinere Diskrepanzen etwa bei der Energieverteilung führten die Forscher auf Verschmutzungs­effekte oder die Parametri­sierung der dielektrischen Funktionen zurück.

Nachdem ihnen die räumliche Visualisierung mit diesem Verfahren geglückt ist, wollen die Forscher auf ihrem Verfahren weiter aufbauen. Für die Zukunft erwarten sie die Berück­sichtigung relativis­tischer Effekte und neuer Elektronen-tomographischer Methoden. Dann ließen sich eventuell nicht nur symmetrisch, sondern auch beliebig geformte Körper untersuchen. Mögliche Anwendungen sehen die Forscher hier sowohl in der Untersuchung litho­graphisch erzeugter Strukturen sowie bei kolloidalen Nano­partikeln und bei Meta­materialien.

Dirk Eidemüller

OD