Elektromagnetische Oberflächenfelder in 3D im Nanomaßstab kartiert

Die erste dreidimensionale Karte des elektromagnetischen Feldes, das an der Oberfläche eines Würfels mit einem Durchmesser von weniger als 200 nm „klebt“, wirft ein neues Licht auf die Art und Weise, wie Materialien im Nanomaßstab Wärme ableiten. Die von Forschern in Frankreich und Österreich aufgenommenen Bilder zeigen das Vorhandensein von Infrarot-Photonen-ähnlichen Anregungen, sogenannten Oberflächen-Phonon-Polaritonen, nahe der Oberfläche des Würfels – ein Phänomen, das genutzt werden könnte, um Abwärme von nanoelektronischen Komponenten abzuleiten und sie so abzukühlen.

Phononen sind teilchenartige kollektive Schwingungsanregungen (oder Atomschwingungen), die in ionischen Festkörpern auftreten. Sie erzeugen oszillierende elektrische Felder, die mit Photonen an der Oberfläche des Festkörpers koppeln und so Oberflächen-Phonon-Polaritonen (SPhPs) erzeugen. Diese Hybride aus Schwingungs- und Photonenanregungen kommen nur auf der Oberfläche eines Objekts vor und sind daher in Massenmaterialien typischerweise von geringer Bedeutung. Ihr Einfluss nimmt jedoch dramatisch zu, wenn Objekte schrumpfen und ihr Oberflächen-Volumen-Verhältnis zunimmt.

SPhPs konzentrieren auch elektromagnetische Energie im Wellenlängenbereich des mittleren Infrarots (3 bis 8 mm) bis zum fernen Infrarot (15 bis 1000 mm). Diese Eigenschaft könnte ihren Einsatz in Anwendungen wie der verstärkten (Raman-)Spektroskopie von Molekülen ermöglichen.

Visualisierung des Nahfeldes

Alle diese Anwendungen hängen von dem nanostrukturierten elektromagnetischen Feld ab, das an den Oberflächen von Metamaterialien oder Nanopartikeln vorhanden ist. Die Visualisierung dieses sogenannten Nahfeldes hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Bahnbrechende Techniken wie die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS), bei der die Energie gemessen wird, die Elektronen verlieren, wenn sie auf diese Oberflächenfelder treffen, können nur zweidimensionale Umrisse erzeugen. Andere Techniken verwenden ausgefeilte Rekonstruktionsalgorithmen in Kombination mit EELS, um 2D-Bilder des Feldes zu erzeugen, diese waren jedoch bisher auf sichtbare Wellenlängen beschränkt.

Im neuen Werk, Mathieu Kociak und Kollegen vom CNRS/Université Paris-Saclay, zusammen mit Gerald Kothleitner von der Technischen Universität Graz kombinierten Computermodelle mit einer Technik namens tomographische EELS-Spektralbildgebung, um das 3D-Feld rund um einen Nanokristall aus Magnesiumoxid (MgO) abzubilden. Dazu verwendeten sie ein Rastertunnelelektronenmikroskop (STEM) der neuen Generation, das für die Elektronen- und Photonenspektromikroskopie entwickelt wurde und die optischen Eigenschaften von Materie mit ultrahoher Energie und räumlicher Auflösung untersuchen kann. Das Instrument (ein modifizierter NION Hermes 200 namens „Chromatem“) filtert einen 60-keV-Elektronenstrahl mit einem Monochromator, um einen Strahl mit einer Energieauflösung zwischen 7 und 10 meV zu erzeugen.

Kipptechnik

Indem sie diesen Elektronenstrahl über ihre Probe scannten, sammelten Kociak, Kothleitner und Kollegen ringförmige Dunkelfeldbilder mit großem Winkel, die die Form des MgO-Nanowürfels enthüllten. Anschließend neigten sie die Probe in verschiedenen Winkeln, bildeten den Würfel in verschiedenen Ausrichtungen ab und zeichneten an jeder Scanposition ein EELS-Spektrum auf. Schließlich nutzten sie Bildrekonstruktionstechniken, um 3D-Bilder des den Kristall umgebenden Feldes zu erzeugen.

Oberflächen-Phonon-Polaritonen steigern die Wärmeübertragung

Der neue Ansatz, den sie beschreiben in Wissenschaftwird es schließlich ermöglichen, bestimmte Punkte auf dem Kristall anzuvisieren und die lokale Wärmeübertragung zwischen ihnen zu messen. Da viele Nanoobjekte bei der Wärmeübertragung Infrarotlicht absorbieren, sollte die Technik auch 3D-Bilder solcher Übertragungen liefern. „Dies ist ein Forschungsweg zur Optimierung der Wärmeableitung in den immer kleineren Komponenten, die in der Nanoelektronik eingesetzt werden“, sagen die Forscher.

Das Team plant nun, seine Technik zur Untersuchung komplizierterer Nanostrukturen anzuwenden. Allerdings erzählt Kociak Physik-Welt dass „einige theoretische Aspekte noch besser verstanden werden müssen“, bevor dies möglich sei.

Quelle: https://physicsworld.com/a/surface-electromagnetic-fields-mapped-in-3d-at-the-nanoscale/