In neuartigen nanostrukturierten Materialien verhalten sich sogenannte Oberflächenphononen besonders ausgeprägt und haben einen wichtigen Einfluss auf die Materialeigenschaften - vor allem die Wärmeentwicklung. Forschern aus Österreich und Frankreich ist es erstmals gelungen, diese temporären Verzerrungen des Atomgitters dreidimensional sichtbar abzubilden. Ihren Versuch haben sie in der jüngsten Ausgabe des Magazins "Science" publiziert.

Wer neuartige Materialien erforschen und sie für Anwendungen der Zukunft zugänglich machen will, muss ihren atomaren Aufbau und Zusammensetzung verstehen, um die richtigen Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften zu ziehen. In der Festkörperphysik geraten daher die quantenmechanisch beschriebenen Schwingungen des Kristallgitters, die Phononen, immer stärker ins Blickfeld der Forschung. Erst seit wenigen Jahren gibt es Elektronenmikroskope, die leistungsfähig genug sind, um die relativ niedrige Energie von Phononen überhaupt zu registrieren. In Metallen, Halbleitern und Isolatoren sind die kollektiven Gitterschwingungen heute bereits gut erforscht, nicht aber in nanoskaligen Materialien.

"Die Visualisierung dieser lokalen Felder ist der Ausgangspunkt für ein tieferes Grundlagenverständnis und besseres Design von Nanostrukturen", betonte Gerald Kothleitner, Leiter des Instituts für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz anlässlich der jüngsten Publikation ihres Experiments in der jüngsten Ausgabe des Magazins "Science". Wenn man etwa Oberflächenphononen gezielt manipulieren könnte, könnte etwa eine bessere Wärmeleitung bzw. Wärmeübertragung zwischen zwei Bauteilen mit Nanooberflächen erzielt werden. Das wäre etwa auch für Detektoren, Sensoren oder für hocheffiziente passive Kühlsysteme von Vorteil.

Elektromagnetischen Feldern auf den Grund gehen

Forscher wollen daher diesen elektromagnetischen Feldern auf den Grund gehen, um ihr Verhalten zu verstehen und zu steuern. Zusätzlich konzentrieren Oberflächenphononen elektromagnetische Energie spektral bis in den fernen Infrarotbereich. Das würde laut den Grazer Experten noch darüber hinaus den Weg für superauflösende Linsen oder auch eine verbesserte Schwingungsspektroskopie ebnen.

Bis dato konnten Phononen allerdings bestenfalls zweidimensional vermessen werden. Den Grazer Forschern der TU, der Universität Graz und ihren Kollegen aus dem französischen Laboratoire de Physique des Solides in Orsay in der Region Ile de France ist es nun jedoch gelungen, Oberflächenphonone dreidimensional wiederzugeben.

Wenn es darum geht, Materialien und deren Eigenschaften bis ins kleinste Detail zu verstehen, verbringen die Forscher Stunden hinter dem Mikroskop und noch mehr Stunden hinter ihren Rechnern. Kothleitner fasste den komplizierte Versuchsanordnung dennoch einfach zusammen: "Wir haben diese Gitterschwingungen mit einem Elektronenstrahl angeregt, mit speziellen spektroskopischen Methoden gemessen und anschließend tomografisch rekonstruiert. Dadurch wurden die von den Oberflächenphononen eines Magnesiumoxid-Nanowürfels erzeugten infraroten Lichtfelder erstmals dreidimensional sichtbar und die räumliche Verteilung erkennbar". Insbesondere habe man damit auch die Orte mit hohen Feldverstärkungen und starken Wechselwirkungen bestimmter Phononen mit der Umgebung darstellen können.

Parallelen zwischen Röntgenbild und CT-Verfahren

Die Methodik und die Durchführung der neuartigen tomografischen Rekonstruktion erfolgten unter der Leitung der Universität Graz. Ulrich Hohenester zog in einer Mitteilung Parallelen zwischen dem bekannten Röntgenbild und dem Computer-Tomografie-Verfahren: "Aus vielen zusammengesetzten 2D-Projektionen lässt sich eine 3D-Rekonstruktion des Objekts erstellen." Die Physiker verwendeten dazu anstelle des Röntgenstrahls den Elektronenstrahl, der statt mit Knochen und Gewebe mit Infrarot-Lichtfeldern wechselwirkt.

Den Forschern stand eines der leistungsfähigsten Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) zur Verfügung, mit dem die Strahlungs-Materie-Wechselwirkungen auf der Nanometerskala vermessen wurde. Weltweit gibt es erst eine Handvoll solcher Mikroskope, die dies erlauben - eines davon steht in Orsay. Das Konzept für die 3D-Aufnahme von Phononen wurde von Gerald Kothleitner gemeinsam mit den Kollegen aus Orsay während der Projektplanung für das europäische Projekt ESTEEM 3 entwickelt. Die Datenauswertung und 3D-Rekonstruktion lag im Bereich der Expertise des FELMI-Zentrum für Elektronenmikroskopie an der TU Graz.

Service: X. Li, G. Haberfehlner, u. Hohenester, O. Stephan, G. Kothleitner, M. Kociak: " Three-dimensional vectorial imaging of surface phonon polaritons", Science, März 2021, VOL 371 Iss. 6536