Автор AZoNano 30 марта 2021

Будь то микроскопия, хранение данных или сенсорная технология, многие передовые технологические приложения, требующие определенных функций, зависят от структуры электромагнитного поля вблизи поверхностей материалов. В наносистемах так называемые поверхностные фононы, то есть временные искажения атомной решетки, вносят решающий вклад в физические и термодинамические свойства.

Если бы поверхностными фононами можно было специально манипулировать, можно было бы достичь лучшей теплопроводности или теплопередачи между двумя компонентами с наноповерхностями. Это может быть использовано, например, в детекторах, сенсорах или в высокоэффективных пассивных системах охлаждения.

Кроме того, поверхностные фононы концентрируют электромагнитную энергию спектрально в дальнем инфракрасном диапазоне. Это открывает путь для линз сверхвысокого разрешения, улучшенной вибрационной спектроскопии и других увлекательных приложений.

Электромагнитные поля вблизи наноструктур

Несмотря на огромный потенциал, эта область физики твердого тела все еще плохо изучена. Для разработки новых нанотехнологий эти поля необходимо сначала сделать видимыми в нанометровом масштабе. « Визуализация этих локальных полей является отправной точкой для более глубокого понимания основ и лучшего дизайна наноструктур », – утверждает Джеральд Котлейтнер, глава Института электронной микроскопии и наноанализа в Техническом университете Граца.

« Электронные микроскопы, достаточно мощные, чтобы даже регистрировать относительно низкую энергию фононов, были разработаны всего несколько лет назад. Однако до настоящего времени их можно было измерить только неадекватно, в лучшем случае в двух измерениях»

Первое трехмерное изображение поверхностных фононов

Вместе с Французской лабораторией физики твердых тел (LPS) Орсе Джеральду Котлейтнеру, его коллеге по институту Георгу Хаберфельнеру и Ульриху Хогенестеру из Института физики Университета Граца впервые удалось получить изображения поверхностных фононов в три измерения. Результаты опубликованы в журнале Science .

Котлейтнер, автор исследования: «Мы возбуждали эти колебания решетки электронным пучком, измеряли их с помощью специальных спектроскопических методов, а затем реконструировали их томографически. В результате инфракрасные световые поля, создаваемые поверхностные фононы нанокуба из оксида магния впервые стали видимыми в трех измерениях, а пространственное распределение стало различимым. В частности, это также позволило нам отобразить участки с сильным усилением поля и, как следствие, сильные взаимодействия определенных фононов с окружающая среда "

Разработка методологии и внедрение новой томографической реконструкции проводились под руководством Университета Граца. Ульрих Хоэнестер проводит параллели между знакомым рентгеновским изображением и процессом компьютерной томографии: «Трехмерная реконструкция объекта может быть создана из многих составных двухмерных проекций. » Вместо рентгеновского луча физики использовал электронный луч, который взаимодействует с инфракрасными световыми полями вместо костей и тканей.

«Как на скрипке или гитаре, – поясняет Хоэнестер – колебания на поверхности нанокуба разбиваются на серию резонансов. Затем эти режимы выбираются для получения наилучшее возможное согласие с экспериментальными данными ».

Электронно-микроскопические методы визуализации как фактор успеха

Первая всесторонняя оценка и трехмерное представление электромагнитных полей – это успех, который можно отнести к тесному сотрудничеству Технического университета Граца и Университета Граца в рамках "NAWI Graz".

Сканирующий просвечивающий электронный микроскоп последнего поколения (STEM) использовался для измерения этих взаимодействий излучения с веществом в нанометровом масштабе. В мире существует всего несколько таких микроскопов, которые позволяют это сделать, и один из них находится в Орсе.

Концепция трехмерного изображения фононов была разработана Джеральдом Котлейтнером в сотрудничестве с Орсе во время планирования общеевропейского проекта ESTEEM 3: проекта, в котором, среди прочего, разрабатываются новые методы электронной микроскопии. В области прикладной электронной спектроскопии потерь энергии и электронной томографии исследователи ТУ Граца входят в число ведущих рабочих групп мира.

Работа, опубликованная в Science была выполнена в рамках проекта ЕС по электронной микроскопии под названием «ESTEEM 3». Руководство было разделено между FELMI / TU Graz и LPS Orsay, с измерениями на кубических наночастицах оксида магния в Орсе и анализом данных и трехмерной реконструкцией в рамках компетенции FELMI.

Теоретические основы и программное обеспечение для моделирования фононов были разработаны в Университете Граца в рамках проекта FWF (Австрийского научного фонда) « Резонансные режимы плазмонных наночастиц».

Эта работа привязана к Области экспертизы «Передовые науки о материалах» одной из пяти стратегических сфер деятельности Технического университета Граца

Источник: https://www.tugraz.at/home/