Licht als Informationsträger ist aus der modernen Kommunikationstechnologie nicht wegzudenken. Die kontrollierte Manipulation von Lichtquanten, sogenannten Photonen, bildet die Basis etwa für drahtlose Datenübertragung oder den Datentransport in optischen Glasfasern. Aufgrund der Wellennatur des Lichts und seiner Beugungsgrenze kann es mit rein optischen Komponenten allerdings nur auf den Mikrometerbereich (10-6 m) fokussiert werden. 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, sogenannte Oberflächenplasmonen. Hohenester weiter: „Diese kollektive Elektronenschwingung ermöglicht uns eine Lichtfokussierung im Nanometerbereich und so vielfältige Anwendungen in der Sensorik oder Photovoltaik.“
Plasmonenfelder abbilden
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.“
Durchbruch in 3D
In der vorliegenden Arbeit, die jetzt im Open Access Journal Nature Communications veröffentlicht wurde, konnten die NAWI Graz-Forschenden 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.“
Publikation: Tomographic imaging of the photonic environment of plasmonic nanoparticles
Nature Communications | DOI s41467-017-00051-3
NAWI Graz
Stärkung, Ausbau und internationale Positionierung sowie die Bündelung von Know-how der naturwissenschaftlichen Forschung und Lehre in Graz – das sind die Ziele von NAWI Graz.
NAWI Graz ist eine naturwissenschaftliche interuniversitäre Kooperation der Karl-Franzens-Universität Graz und der TU Graz: gemeinsame Lehre, Forschung und Doktoratsprogramme. Alle Studien im naturwissenschaftlichen Bereich werden gemeinsam angeboten – rund 5.200 Studierende nutzen dieses Angebot. www.nawigraz.at