CT misst Plasmonen

  • 20. August 2013

Mittels Computertomographie lassen sich 3-D-Bilder von elektrischen Feldern auf Nanoteilchen erzeugen.

Nanopartikel eröffnen modernen Technologien durch ihre außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften eine Fülle neuer Möglichkeiten. Die Strukturen von Nanopartikeln sind aber noch nicht gänzlich zu entschlüsseln. Ein Schritt zur Beschreibung der Elektronenschwingungen an der Oberfläche von metallischen Nanopartikeln ist nun Physikern der Karl-Franzens-Universität Graz gelungen. Mit den Methoden der Computertomographie (CT) haben sie dreidimensionale Bilder von elektrischen Feldern auf Nanoteilchen erstellt. Damit lässt sich exakt erkennen, wo „Hot Spots“ – besonders starke Felder – zu finden sind. Eine wichtige Information für die Entwicklung zukunftsträchtiger Anwendungen, von hochsensiblen Sensoren bis hin zur ultraschnellen Datenübertragung.

Abb.: Schematische Darstellung der Tomographie von Nanoteilchen. (Bild: U. Graz)

Abb.: Schematische Darstellung der Tomographie von Nanoteilchen. (Bild: U. Graz)

„An der Oberfläche von metallischen Nanopartikeln kommt es zu Schwingungen der Elektronendichte, die als Plasmonen bezeichnet werden. Diese bilden an bestimmten Stellen der Nanoteilchen besonders starke elektrische Felder“, sagt Anton Hörl aus der Arbeitsgruppe von Ulrich Hohenester am Institut für Physik der Uni Graz. Diese Hot Spots können helfen, Licht im Nanometer-Bereich zu fokussieren. „Das ist zum Beispiel notwendig, wenn Licht in winzigen Strukturen zur Datenübertragung genutzt werden soll, etwa für den optischen Chip“, ergänzt Hörl.

Zur Erforschung der Plasmonen fokussierten die Forscher einen Elektronenstrahl auf einen bestimmten Punkt der Probe und maßen, wie viel Energie die Elektronen durch Wechselwirkung mit den Plasmonen verloren. Je stärker die elektrischen Felder auf den Nanopartikeln waren, desto größer die Wahrscheinlichkeit, ein Plasmon anzuregen, wodurch dem Elektronenstrahl Energie entschwand.

Wurde der Elektronenstrahl über die Probe bewegt, entstand ein zweidimensionales Bild der elektrischen Felder. Anton Hörl konnte nun anhand von Computersimulationen zeigen, dass sich durch Drehung der Probe eine Reihe von 2D-Bildern gewinnen ließ, aus denen er dann mit Hilfe der Computertomographie eine exakte 3D-Rekonstruktion der elektrischen Felder zu erstellen in der Lage war.

Hörls Doktorarbeit ist in den vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Spezialforschungsbereich „NextLite“ eingebettet. Weiterführende Experimente werden die Theoretischen Physiker der Karl-Franzens-Universität Graz mit der Arbeitsgruppe von Ferdinand Hofer an der TU Graz im Rahmen der strategischen Kooperation NAWI Graz durchführen.

TU Graz / PH

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