Elektronenmikroskopische Detektion von Partikelplasmonen

Messungen der Intensitätsverteilung des optischen Nahfeld um metallische Nanostrukturen ermöglichen eine detaillierte Analyse der Wechselwirkung von Licht mit dieser Struktur. In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass mit elektronenstrahl-basierten Methoden wie ortsaufgelöster electron energy loss spectroscopy (EELS) und energy filtered transmission electron microscopy (EFTEM) diese optischen Nahfelder mit sehr hoher lateraler Auflösung detektiert werden können. Bislang wurden diese Methoden nur an kolloidalen Nanopartikeln demonstriert, die jedoch nicht in beliebiger geometrische Forme und Größe zur Verfügung stehen, da sie durch Selbstorganisationsprozesse entstehen. Ziel des gegenständlichen Projektes ist es, Nanostrukturen beliebiger Form und Größe für elektronenstrahl-basierte Nahfeld-Meßmethoden verfügbar zu machen. Die Standardmethode zur Herstellung derartiger Strukturen ist die Elektronenstrahllithographie. Die dabei erforderlichen Substratmaterialen (typ. Glas- oder Siliziumsubstrate) sind jedoch für EELS- und EFTEM-Messungen ungeeignet, da sie aufgrund ihrer Dicke für den Elektronenstrahl undurchdringlich sind. Diese Problematik wollen wir durch die Entwicklung eines Prozesses umgehen, der uns erlaubt elektronenstrahllithographisch hergestellte Nanostrukturen auf ein ultradünnes Substrat zu transferieren. Als erste Untersuchungsobjekte werden Nanopartikelpaare (dipole and bowtie antennas) und Nanoringe dienen. Bei den Partikelpaaren ist insbesondere die optische Feldstärke im Raum zwischen den Partikeln von hohem Interesse, da sie laut theoretischen Modellen (im Vergleich zu einem anregenden Lichtfeld) dramatisch erhöht ist. Diese Verstärkungseffekte sind im Zusammenhang mit oberflächenverstärkten Effekten wie oberflächenverstärkte Ramanstreuung oder oberflächenverstärkte Fluoreszenz von hohem Interesse. Bei den Nanoringen erwarten wir aufgrund einer bestimmten (theoretisch vorhersagbaren) Signatur des optischen Nahfeldes einen Plasmonen Mode mit nennenswertem magnetischem Dipolmoment identifizieren zu können. Diese Ergebnisse werden zum Gebiet der optischen Metamaterialen Wesentliches beitragen.

Herkömmliche Technologien zur Datenübertragung basieren auf Licht oder auf Elektronen. Von der hohen Bandbreite bei Übertragung mit Licht profitieren Festnetz-Telefonie, Kabelfernsehen oder Glasfaser-Internet. Aufgrund seiner Wellenlänge braucht Licht jedoch viel Raum und ist daher für die Informationsübertragung im Nanobereich nicht geeignet. Deshalb kommen in stark miniaturisierten Anwendungen wie Computer-Chips oder Sensoren Elektronen zum Einsatz. Hoffnungsträger auf der Suche nach neuen Technologien zur Informationsweitergabe im Nanoformat sind Plasmonen, kollektiv schwingende Elektronenwolken an metallischen Oberflächen. Sie entstehen, wenn ein Lichtstrahl auf nanostrukturiertes Metall trifft. Plasmonen bergen ein ungeheures Potenzial, weil sie die Vorteile von Licht und Elektronen vereinen: Sie können große Datenmengen auf engstem Raum mit hoher Bandbreite übertragen. Im Rahmen des vom FWF geförderten Projektes Elektronenmikroskopische Detektion von Partikelplasmonen wurde von Grazer Forschen eine vereinheitlichte Sicht auf das Schwingungsverhalten der Plasmonen entwickelt, sie knackten quasi den Code zur Choreographie der tanzenden Elektronenwolken. ,,Denn genau wie akustischen Schwingungen eine Systematik zugrunde liegt, folgt auch das kollektive Schwingungsverhalten von Plasmonen einer ganz bestimmten Ordnung", erklärt DI Franz Schmidt, der für den größten Teil der experimentellen Arbeit verantwortlich zeichnete. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für die Konstruktion effizienter miniaturisierter Bauteile in verschiedenen technologischen Anwendungen. Ernst Florens Friedrich Chladni beschrieb 1787 in seinen ,,Entdeckungen über die Theorie des Klanges" zum ersten Mal die akustischen Schwingungsmuster, heute bekannt als ,,Chladnische Klangfiguren", und erregte damit weltweit Aufsehen. Nicht minder faszinierend ist, was die Grazer Forscher knapp 230 Jahre später entdeckten: Sie haben eine universelle Formel gefunden, mit der sich sämtliche Schwingungsmuster von Plasmonen an metallischen Oberflächen einfach berechnen lassen, wenn die Geometrie der Nanopartikel bekannt ist. Dass die Physiker der Uni Graz die Schwingungsmuster der Plasmonen überhaupt experimentell erkennen konnten, war nur durch ein außergewöhnlich gut ausgestattetes Elektronenmikroskop möglich. Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie lassen sich Energiezustände von Elektronen beobachten, und diese erlauben Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Plasmonen, wie zum Beispiel ihr Schwingungsverhalten.