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NAWI Graz-Forschende vermessen Lichtfelder erstmals in 3D

Forschende von TU Graz und Uni Graz stellen in Nature Communications die neuartige Methode der 3D-Plasmonen-Tomographie vor.

3D Darstellung von Plasmonenfelder an Nanopartikeln. © Haberfehlner - TU Graz

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.“

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.

An der TU Graz ist dieser Forschungsbereich im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten. An der Universität Graz ist diese Arbeit dem Forschungsschwerpunkt „Modelle und Simulation“ zugeordnet.

Information

Zur Originalpublikation:
Tomographic imaging of the photonic environment of plasmonic nanoparticles

Anton Hörl, Georg Haberfehlner, Andreas Trügler, Franz-Philipp Schmidt, Ulrich Hohenester & Gerald Kothleitner

Nature Communications | DOI
:10.1038/s41467-017-00051-3
https://www.nature.com/articles/s41467-017-00051-3

Kontakt

Gerald KOTHLEITNER
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
TU Graz | Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik
Steyrergasse 17/III, 8010 Graz
Tel.: +43 316 873 8336
E-Mail: gerald.kothleitnernoSpam@felmi-zfe.at

Ulrich HOHENESTER
Ao.Univ.-Prof. Mag. Dr.rer.nat.
Karl-Franzens-Universität Graz | Institut für Physik
Tel.: +43 316 380 5227
E-Mail: ulrich.hohenesternoSpam@uni-graz.at

Bildmaterial

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3D Darstellung von Plasmonenfelder an Nanopartikeln. © Haberfehlner - TU Graz
Gerald Kothleitner (links) und Georg Haberfehlner (vorne rechts) mit einem weiteren Kollegen vor ASTEM, Österreichs leistungsfähigstem Elektronenmikroskop. © Lunghammer - TU Graz