Nanostrukturen sind der heilige Gral neuer Materialien.
Das Wundermaterial Graphen beispielsweise ist eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Muster angeordnet sind und aufgrund ihrer Leitfähigkeit, Flexibilität, Transparenz und Festigkeit das Potenzial haben, effizientere Solarzellen, kleinere und schnellere Stromkreise und Mikrochips herzustellen , transparente Displays sowie hochdichte Kondensatoren und Batterien.
Laut Xiaoji Xu , Assistenzprofessor für Chemie, ist eine weitere Eigenschaft, die Nanomaterialien wie Graphen so besonders macht, ihre Fähigkeit, ein physikalisches Phänomen namens Polariton zu erzeugen.
Polaritonen sind Quasiteilchen, die aus einer starken Kopplung elektromagnetischer Wellen mit einer elektrischen oder magnetischen Dipol-Anregung resultieren – von manchen auch als Licht-Materie-Kopplung bezeichnet. Polaritonen ermöglichen es Nanostrukturen, Licht um das Material herum einzuschränken und zu komprimieren.
Die Fähigkeit, Licht zu komprimieren, ist der Schlüssel zur Verkleinerung von Geräten für zukünftige optische Kommunikation und Computer. Es könnte auch zu einer Sensorik auf einer Skala unter einem Nanometer führen, was wichtig ist, um biomedizinische Fortschritte bei der Erkennung, Prävention und Behandlung von Krankheiten zu erzielen.
Die Herausforderung für Menschen, die diese Materialien untersuchen, besteht laut Xu darin, die Polaritonen auf der Nanoskala aufzudecken und zu charakterisieren, da dies mit keinem herkömmlichen Mikroskop möglich ist.
Jetzt haben Xu und sein Team einen Weg gefunden, die dreidimensionale Form der Polaritonenwechselwirkung um eine Nanostruktur aufzudecken. Ihre Technik verbessert die übliche spektroskopische Bildgebungstechnik, die als optische Nahfeldmikroskopie vom Streuungstyp (s-SNOM) bekannt ist. Die Methode des Teams namens Peak Force Scattering-Type Scanning Near Field Optical Microscopy (PF-SNOM) basiert auf einer Kombination aus Peak Force Tapping-Modus und zeitgesteuerter Lichterkennung. Die Forscher haben ihre Arbeit in einem Artikel mit dem Titel „Tomographic and multimodal Scattering-Type Scanning Near Field Optical Microscopy with Peak Force Tapping Mode“ (DOI: 10.1038/s41467-018-04403-5) detailliert beschrieben, der am 21. Mai 2018 online veröffentlicht wurde in Naturkommunikation . Zu den Co-Autoren des Papiers gehören neben Xu auch Haomin Wang, Le Wang und Devon S. Jakob, Ph.D. Studenten in Xus Labor.
In der Arbeit stellen die Autoren fest: „PF-SNOM ermöglicht die direkte Schnittführung vertikaler Nahfeldsignale von einer Probenoberfläche sowohl für die dreidimensionale Nahfeldbildgebung als auch für die spektroskopische Analyse.“ Die spitzeninduzierte Relaxation von Oberflächenphononpolaritonen wird durch Berücksichtigung der Spitzendämpfung aufgedeckt und modelliert.“
Den Forschern zufolge bietet PF-SNOM auch eine verbesserte räumliche Auflösung von fünf Nanometern im Vergleich zu den typischen zehn Nanometern, die das herkömmliche s-SNOM bietet.
„Unsere Technik könnte für Wissenschaftler, die Nanostrukturen untersuchen, von Nutzen sein und es ihnen ermöglichen, besser zu verstehen, wie das elektrische Feld um eine bestimmte Nanostruktur herum verteilt ist“, sagt Xu.
Ihre PF-SNOM-Charakterisierungsmethode ist nicht nur direkter als bestehende Techniken, sie kann auch gleichzeitig polaritonische, mechanische und elektrische Informationen erhalten.
Mit einer Messung, erklärt Xu, können mehrere Informationsarten gewonnen werden – ein einzigartiger Vorteil.
Die Entwicklung von PF-SNOM entstand aus der Untersuchung des Lückenmodus durch das Team: Wenn sich zwei plasmonische Strukturen innerhalb weniger Nanometer nähern, kommt es zu einer enormen Steigerung der Plasmonenintensität in der Lücke zwischen den beiden Strukturen, wenn Energie von einer Struktur auf die andere übertragen wird das andere. Mit ihrer Fähigkeit, diese Gap-Mode-Reaktion in Simulationen einzugrenzen, beschlossen die Forscher, sie auf den Non-Gap-Modus zu erweitern – indem sie den Abstand zwischen der Sondenspitze des Rasterkraftmikroskops (AFM) und der Probe vergrößerten.
„Mit einer AFM-Spitze haben wir das Streulicht als Funktion des Abstands zwischen Spitze und Probe gemessen“, erklärt Wang, ein Doktorand. Student in Xus Labor und Mitautor der Arbeit. „Wir sammelten dann Informationen bei unterschiedlichen Abständen zwischen Spitze und Probe und kombinierten all diese geschichteten Informationen, um das tomographische Bild zu erhalten und die 3D-Polaritonstruktur aufzudecken.“
Interessanterweise erwartete das Team zu Beginn seiner Experimente ein anderes Ergebnis. Während der Simulationen beobachteten sie jedoch eine besondere Form der Lichtstreuung und sahen eine offensichtliche Verstärkung des Lückenmodus.
„Es stellte sich heraus, dass wir das Licht in verschiedene Abstände zwischen Spitze und Probe schneiden und diese Signale verwenden konnten, um die Nahfeldreaktion auf verschiedenen Schichten und in vertikalen Richtungen zu betrachten“, sagt Wang.
Er fügt hinzu: „Obwohl diese Arbeit mit Infrarot durchgeführt wurde, könnte sie im Prinzip auch auf andere Frequenzen ausgeweitet werden, etwa sichtbar und Terahertz.“
