"Heiße" neue Form der Mikroskopie untersucht Materialien mit Hilfe von evaneszenten Wellen
"Diese Mikroskoptechnologie ist völlig neu, so dass wir noch lernen müssen, wie und wo sie konkret eingesetzt werden kann"
Herkömmliche Mikroskope bestrahlen eine Probe, meist mit Licht oder Elektronen. Die reflektierte oder gestreute Strahlung kann verwendet werden, um ein detailliertes Bild zu erstellen und charakteristische Informationen über die Oberfläche eines Materials zu erhalten. Dies wird als aktive Messung bezeichnet, ist aber nicht die einzige Technik, die eingesetzt werden kann. Forscher aus Japan haben eine neue Form der Mikroskopie entwickelt, mit der Details der Oberfläche eines Objekts, wie die Verteilung der Gitter- und Elektronentemperaturen eines Materials, mit nanoskaliger Präzision untersucht werden können.
Mikroskope verwenden in der Regel rückgestreute Strahlung, um Bilder zu erzeugen, aber eine Forschungsgruppe des Instituts für Industriewissenschaften der Universität Tokio entwickelt eine völlig neue Methode zur Untersuchung von Materialien mit Hilfe des schwachen Lichts, das sie durch Wärme erzeugen
Institute of Industrial Science, The University of Tokyo
Evaneszente Wellen sind kurzlebige elektromagnetische Wellen, die keine Energie transportieren, ähnlich wie Wellen auf der Oberfläche eines Materials. Sie können durch die Wechselwirkung von Licht mit der Oberfläche entstehen, aber auch thermisch erzeugt werden. Alle Materie enthält Energie und strahlt Wärme ab, und lokale Wärmeschwankungen in einem Material können kurzzeitig starke evaneszente Wellen erzeugen. Der Schlüssel zu dieser leistungsstarken neuen Form der Mikroskopie, die von Forschern des Institute of Industrial Science der Universität Tokio entwickelt wurde, liegt in der passiven Erfassung dieser Wellen.
"Die optische Rasternahfeldmikroskopie, bei der elektromagnetische Streustrahlung verwendet wird, ist eine der am häufigsten verwendeten Techniken zur Untersuchung von Materialeigenschaften im Nanobereich", erklärt die Hauptautorin Ryoko Sakuma. Durch die Verwendung von thermischen Infrarotwellenlängen kann das Team Details beobachten, die mit anderen Mitteln nicht zu erkennen sind. "Unsere neue Technik nutzt die passive Erkennung der vom Objekt selbst emittierten Strahlung, so dass die Oberfläche nicht beleuchtet werden muss.
Mit ihrem Prototyp untersuchten die Forscher thermisch angeregte evaneszente Wellen, die in zwei dielektrischen Materialien erzeugt wurden: Aluminiumnitrid und Galliumnitrid. Die schwache Streuung, die nicht vorhergesagt wurde, zeigt sich in einer Absorptionsbande, der so genannten Reststrahlen-Bande. Dies ist das erste Mal, dass ein solches Phänomen ohne Lichteinwirkung beobachtet wurde. Vor allem aber zeigte die spektroskopische Analyse, dass in der Reststrahlen-Bande nur Polariton-Wellen (d. h. Wellen, die durch Oberflächenphonon-Resonanz verursacht werden) vorhanden sind, obwohl theoretisch vorhergesagt wurde, dass diese Polariton-Wellen von einer großen Menge thermischer Fluktuation begleitet werden würden. Diese Ergebnisse helfen uns, thermisch angeregte evaneszente Wellen in diesem Band zu verstehen, und legen den Grundstein für ein verbessertes passives Detektionsmodell zur Identifizierung dielektrischer Materialien.
Das Team ist bestrebt, diese Technologie weiterzuentwickeln. "Unser Instrument ist weltweit das einzige, das in der Lage ist, mit Terahertz-Wellenlängen Temperaturverteilungen im Nanobereich auf Oberflächen zu beobachten", erklärt der Erstautor Yusuke Kajihara. Der Terahertz-Wellenlängenbereich beginnt im mittleren Infrarot, ab etwa 10 µm, und reicht bis zu 1 mm. Da es sich um einen Prototyp handelt, ist die Verbesserung der Funktionsweise des Instruments derzeit ein wichtiges Ziel. "Diese Mikroskoptechnologie ist völlig neu, so dass wir noch lernen müssen, wie und wo sie konkret eingesetzt werden kann", fügt Kajihara hinzu.
Das Team will seinen Prototyp weiter verbessern und die Funktionsweise der Technik verfeinern. Der nächste Schritt ist die Entwicklung eines verbesserten Detektionsmodells. Das Ziel ist eine größere Vielseitigkeit, die zu einer neuen und leistungsstarken zerstörungsfreien Charakterisierungstechnik führt, die eine hochgradig lokalisierte Analyse der Oberflächendynamik eines Materials ermöglicht.
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