Montag, Juli 15, 2024

Durchbruch in der Analyse von Nanostrukturen

In der Analyse von Nanostrukturen konnten Forscher nano-skalige Objekte chemisch, strukturell und hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften in 3D untersuchbar machen – ein Durchbruch.

 

Die neue atomar auflösende Elektronentomografie nennt sich „Atomografie“ und eröffnet neue Wege in der Materialforschung. Über die Ergebnisse des Teams von TU Graz, Zentrum für Elektronenmikroskopie (ZFE) der Austrian Cooperative Research und Uni Graz berichten aktuell die angesehenen Fachjournale Nature Communications und Nano Letters.

Ein detailliertes Verständnis über Materialstruktur und -eigenschaft ist das Um und Auf in der Erforschung neuartiger Materialien, wie Arbeitsgruppenleiter Gerald Kothleitner vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz (FELMI) schildert: „Um Materialien in ihrer Eigenschaftskomplexität verstehen zu können, müssen wir Methoden zur Herstellung, zur Simulation und zur Charakterisierung entwickeln und verknüpfen. Unsere Methode der Elektronentomografie kann Nanostrukturen nicht nur drei-dimensional atomar abbilden, sondern auch mit physikalisch-strukturellen Eigenschaften korrelieren.“

 

Nanostrukturen besser verstehen mittels „Atomografie“

ASTEM ist eines der weltweit leistungsfähigsten analytischen Elektronenmikroskope. Im Bild die Grazer Hauptautoren der jüngsten Publikation zur "Atomografie" und der Analyse von Nanostrukturen in Nature Communications. © Lunghammer - TU Graz
ASTEM ist eines der weltweit leistungsfähigsten analytischen Elektronenmikroskope. Im Bild die Grazer Hauptautoren der jüngsten Publikation zur „Atomografie“ und der Analyse von Nanostrukturen in Nature Communications. © Lunghammer – TU Graz

„Atomografie“ nennt sich diese neue, atomar aufgelöste Elektronentomografie, die ein bisher nicht dagewesenes Verständnis für Materialien in ihrer chemischen und strukturellen Zusammensetzung ermöglicht. „Dem anwendungsspezifisch ideal designtem Material sind wir mit der neuen Analysemethode einen großen Schritt näher. Wir wissen nun, welche Atome sich in einem Nanocluster befinden und wie diese Atome angeordnet sind. Wir haben erstmals einen dreidimensionalen Blick auf die chemische und strukturelle Zusammensetzung von Nanoteilchen“, erklärt Kothleitner. Möglich machen das ganz wesentlich das Elektronenmikroskop ASTEM und die am FELMI von Georg Haberfehlner entwickelten 3-dimensionalen Abbildungsmethoden: Damit lässt sich feststellen, aus welchen Elementen sich eine Probe zusammensetzt und welche Atome sich an welchen Positionen befinden.

 

Gold, Silber und Plasmonen

Die in Nature Communications veröffentlichte Studie basiert auf der gezielten Herstellung eines Nanoclusters aus wenigen Gold- und Silberatomen. Die definierte Herstellung solcher metallischer Nanocluster ist schwierig, präpariert wurde diese spezielle Probe am Institut für Experimentalphysik der TU Graz im Team von Wolfgang Ernst. Das Nanoteilchen haben die Forscher am FELMI-ZFE dann mittels „Atomografie“ aus allen Perspektiven untersucht, analysiert und abgebildet.

Eine weitere Publikation in Nano Letters entspringt einer Zusammenarbeit von Gerald Kothleitner und Georg Haberfehlner am FELMI-ZFE Graz mit dem Institut für Physik der Uni Graz rund um Ulrich Hohenester und Andreas Trügler – und ist damit ein Erfolg der Kooperation NAWI Graz. Hier gelang die drei-dimensionale Simulation und Abbildung elektromagnetischer Felder – sogenannter Oberflächenplasmonen – auf gekoppelten Silberquadern und damit erstmals ein direkter und quantitativer Vergleich zwischen Simulation und Experiment. Für technologische Anwendungen, beispielsweise in der (Bio)Sensorik, Photovoltaik oder der optischen Datenverarbeitung, ist dieser Fortschritt enorm wichtig.

 

Die oben erwähnten hochkarätigen Publikationen zeigen die bedeutende Forschungsarbeit im Bereich der Nanoanalytik von Physikern und Materialforschern der TU Graz (FELMI und Institut für Experimentalphysik), des Zentrums für Elektronenmikroskopie (ZFE) der Austrian Cooperative Research (ACR) und der Karl-Franzens Universität Graz.

Zur Originalpublikation Nature Communications (doi:10.1038/ncomms9779):http://www.nature.com/ncomms/2015/151028/ncomms9779/full/ncomms9779.html
Zur Originalpublikation Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03780):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b03780

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