Wie Atome in Graphen schwingen

Wichtige thermische, mechanische, opto­elektronische und Transport­eigenschaften von Materialien werden von Phononen bestimmt, sich ausbreitenden Schwingungen zwischen den Atomen des Materials. Eine lokale Messung dieser Phononen ist von großer Bedeutung, wenn man nano­elektronische Bauelemente optimieren will. In der Nano- und Quanten­technologie spielen insbesonders zwei­dimensionale Materialien wie Graphen und deren Variationen in einem Graphen-Nanoband eine große Rolle. Bisher war es jedoch mit keiner herkömmlichen Methode möglich, alle Phononen einer einzelnen, freitragenden Schicht eines zwei­dimensionalen Materials zu bestimmen.

Nun hat ein inter­nationales Forschungsteam aus weltweit führenden Experten ;um Thomas Pichler an der Universität Wien und Kollegen von der La Sapienza Universität in Rom, AIST Tsukuba und der Firma Jeol in Japan eine neue Methode entwickelt, die diese Hürde überwindet, und in einem Präzedenz­fall auf Graphen-Nanostrukturen angewandt. Dazu verwendeten die Wissenschafter ein Elektronen­mikroskop mit so großer Auflösung, dass es selbst eine einzelne Schicht von Atomen abbilden kann. Hoch­auflösende Elektronen­spektroskopie in diesem Mikroskop ermöglichte es erstmals erfolgreich alle Schwingungen einer freitragenden Graphen-Schicht sowie die lokale räumliche Ausdehnung verschiedener Schwingungen in einem Graphen-Nanoband wie einen Finger­abdruck zu messen.

Das innovative Verfahren des „Large-q-Mapping“ eröffnet nicht nur komplett neue Möglich­keiten die atomaren Schwingungen von allen nano­strukturierten und zwei­dimensionalen Materialien bis hinunter zu einzelnen Atomschichten zu ermitteln. Es verschiebt auch die gegenwärtigen Grenzen der Nano­spektroskopie zu einer berühmten Einschränkung der Quantenphysik, der Heisen­bergschen Unschärfe­relation. Diese erlaubt es nur bis zu einer gewissen Genauigkeit, die die neue Elektronen­spektroskopie-Technik beinahe erreicht, bestimmte Paare von Eigenschaften wie etwa Ort und Impuls eines Teilchens gleichzeitig zu bestimmen.

Der erfolgreiche direkte experi­mentelle Nachweis des vollständigen Finger­abdrucks lokaler atomarer Schwingungen aller Materialien sogar von einzelnen Schichten zwei­dimensionaler Materialien und Nanobändern und selbst in nicht perfekten Strukturen wie Ecken, Kanten oder Defekten ist für das Verständnis und für die Optimierung der lokalen Eigen­schaften eines Materials äußerst wichtig. In der Kombination von Mikroskopie und Spektro­skopie war bis dato die simultane orts- und impuls­abhängige Auflösung aufgrund der Heisen­bergschen Unschärfe­relation eine der größten Herausforderungen. Die neue Messtechnik stellt nun einen entscheidenden Schritt hin zur Nano­spektroskopie aller Materialien durch Kombination von orts- und impulsabhängiger Messungen dar. „Wir sind überzeugt, dass unsere neue Methode die weitreichende Forschung in der Material­wissenschaft vorantreiben und die hoch­auflösende Elektronen­spektroskopie in der Elektronen­mikroskopie auf die nächste Stufe vorwärts­bringen wird. Man kann sich das neuartige Verfahren auch als echtes Tisch-Synchrotron vorstellen“, sagt Thomas Pichler von der Universität Wien.

U. Wien / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Senga et al.: Position and momentum mapping of vibrations in graphene nanostructures, Nature, online 12. August 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1477-8
• Elektronische Materialeigenschaften, Fakultät für Physik, Universität Wien