3D-Nahfeld-Vermessung von Nanoantennen

  • 30. July 2013

Neue Methode ermöglicht effizientere Sensorchips.

Forscher der Universität Stuttgart um Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut haben dank neuartiger Nanospektroskopie erstmalig Nahfelder von optischen dreidimensionalen Nanoantennen vermessen. Diese Methode liefert neue Erkenntnisse in der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf der Nanoskala und ermöglicht es, optische Felder von Nanoantennen präzise zu vermessen. In zukünftigen hoch-empfindlichen Sensor-Chips, die auf optischen Antennen basieren, lässt sich damit die Detektionseffizienz optimieren.

Moleküle (blau) werden entlang dreidimensionaler Nanoantennen nanometergenau positioniert und zu Schwingungen angeregt

Abb.: Moleküle (blau) werden entlang dreidimensionaler Nanoantennen nanometergenau positioniert und zu Schwingungen angeregt. Die Schwingungsstärke hängt von der Nahfeldverteilung (rot) der optischen Antennen ab und kann im Fernfeld gemessen werden (weiße Kurve). (Bild: Univ. Stuttgart)

Moleküle kann man mit mittelinfraroter Fernfeld-Spektroskopie aufgrund ihrer Vibrationsschwingungen, dem sogenannten spektralen Fingerabdruck, eindeutig identifizieren. Hierzu sind jedoch große Mengen an Molekülen nötig, da die Anregung der Vibrationsschwingung sehr ineffizient ist. Metallische optische Nanoantennen sind resonant zu einfallendem Licht und erzeugen hohe Nahfelder in ihrer direkten Umgebung. Diese hohen Intensitäten ermöglichen es, einige wenige Moleküle oder sogar einzelne Moleküle über spektroskopische Methoden sichtbar zu machen und zu identifizieren. Dies spielt eine entscheidende Rolle in der Früherkennung von Krankheiten, in der hoch-sensitiven Detektion von schädlichen Substanzen und bei gefährlichen Konzentrationen von explosiven Gasgemischen.

Die Stuttgarter Forscher schafften es, wenige Moleküle neben Gold-Nanoantennen zu platzieren. Mit ihrer Technologie, die auf der Elektronenstrahllithographie basiert, erreichten sie eine nanometergenaue Positionierung der Moleküle an verschiedenen Stellen der Nanoantenne. Aufgrund der großen Nahfelder an der Nanoantenne wurde die Schwingungsanregung in den Molekülen um Größenordnungen effizienter und konnte mit konventioneller Spektroskopie sichtbar gemacht werden. Zum ersten Mal konnten die Forscher so experimentell den physikalischen Prozess der Schwingungsanregung auf der Nanometerskala identifizieren. Konkret fand die Forschergruppe heraus, dass die Effizienz der Schwingungsanregung direkt mit den von den Antennen generierten Nahfeldintensitäten skaliert.

Damit konnten die Forscher die Nahfelder von optischen Antennen quantitativ messen. Die Auflösungsbegrenzung von konventioneller Mikroskopie konnten sie umgehen, da das Detektionsvolumen, in dem sich die Moleküle befinden, um ein Vielfaches kleiner als die Wellenlänge ist. Im Vergleich zu bestehenden Mikroskopie-Techniken im optischen Nahfeld, die ebenfalls Auflösungen kleiner als die Wellenlänge erzielen, hat die neue Methode den Vorteil, Nahfeldverteilungen von dreidimensionalen Antennenstrukturen zu messen. Hierbei gelang es Daniel Dregely, während des Fabrikationsprozesses einer dreidimensionalen Antennenstruktur Moleküle an definierte Stellen einzubringen und die Schwingungsanregung und somit ihre Nahfeldintensität zu messen. Solche komplexe Nanostrukturen liefern einen weiteren Freiheitsgrad, um die Wechselwirkung im Nanometerbereich von Licht mit einzelnen Molekülen zu erhöhen, um etwa neuartige, hoch-sensitive Sensorik-Plattformen zu entwickeln.

U. Stuttgart / DE

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