Nanopartikel eröffnen modernen Technologien durch ihre außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften eine Fülle neuer Möglichkeiten. Doch längst sind nicht alle Geheimnisse der winzigen Strukturen gelüftet. Ein entscheidender Schritt zur Beschreibung der Elektronenschwingungen an der Oberfläche von metallischen Nanopartikeln ist nun Physikern der Karl-Franzens-Universität Graz gelungen. Sie konnten erstmals zeigen, dass mit den Methoden der Computertomographie (CT) dreidimensionale Bilder von elektrischen Feldern auf Nanoteilchen erstellt werden können. Damit lässt sich exakt erkennen, wo „Hot Spots“ – besonders starke Felder – zu finden sind. Eine wichtige Information für die Entwicklung zukunftsträchtiger Anwendungen, von hochsensiblen Sensoren bis hin zur ultraschnellen Datenübertragung. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich im renommierten Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.
„An der Oberfläche von metallischen Nanopartikeln kommt es zu Schwingungen der Elektronendichte, die als Plasmonen bezeichnet werden. Diese bilden an bestimmten Stellen der Nanoteilchen besonders starke elektrische Felder, so genannte Hot Spots“, informiert Anton Hörl, MSc, aus der Arbeitsgruppe von Ao.Univ.-Prof. Dr. Ulrich Hohenester am Institut für Physik der Uni Graz. Hot Spots können dazu genutzt werden, Licht im Nanometer-Bereich zu fokussieren. „Das ist zum Beispiel notwendig, wenn Licht in winzigen Strukturen zur Datenübertragung genutzt werden soll, etwa für den optischen Chip“, ergänzt Hörl.
„Zur Erforschung von Plasmonen wird ein Elektronenstrahl auf einen bestimmten Punkt der Probe fokussiert und gemessen, wie viel Energie die Elektronen durch Wechselwirkung mit den Plasmonen verlieren. Je stärker die elektrischen Felder auf den Nanopartikeln sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, ein Plasmon anzuregen, wodurch dem Elektronenstrahl Energie entzogen wird“, erklärt Ulrich Hohenester das Verfahren.
Wird der Elektronenstrahl über die Probe bewegt, entsteht ein zweidimensionales Bild der elektrischen Felder. Anton Hörl hat im Rahmen seiner Dissertation in Kooperation mit Dr. Andreas Trügler anhand von Computersimulationen erstmals gezeigt, dass durch Drehung der Probe eine Reihe von 2D-Bildern gewonnen werden kann, aus denen sich dann mit Hilfe der Computertomographie eine exakte 3D-Rekonstruktion der elektrischen Felder erstellen lässt. Hörls Doktorarbeit ist in den vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Spezialforschungsbereich „NextLite“ eingebettet.
Weiterführende Experimente werden die Theoretischen Physiker der Karl-Franzens-Universität Graz mit der Arbeitsgruppe von Ao.Univ.-Prof. Dr. Ferdinand Hofer an der TU Graz im Rahmen der strategischen Kooperation NAWI Graz durchführen.
Publikation:
Tomography of particle plasmon fields from electron energy loss spectroscopy
Anton Hörl, Andreas Trügler, Ulrich Hohenester
Physical Review Letters, August 2013