Oberflächen mit atomarem Licht betrachten

29. September 2020

Forscher*innen der Abteilung für Physikalische Chemie demonstrierten einen neuartigen Weg zur Erzielung einer ultrahohen Empfindlichkeit der Schwingungsspektroskopie auf atomarer Ebene unter Verwendung von spitzenverstärkter Raman-Spektroskopie (TERS). Diese Methode wird die Untersuchung lokaler chemischer Strukturen und Reaktionen auf atomarer Ebene ermöglichen, und einen neuen Einblick in Licht-Materie-Wechselwirkungen auf atomarer Skala geben.

Übergang zum atomaren Punktkontakt. Quelle: Originalveröffentlichung (linke Spalte). Weitere Genehmigungen in Bezug auf das auszugsweise Material sollten an die ACS gerichtet werden.

Um komplexe Prozesse auf Materialoberflächen wie die heterogene Katalyse zu verstehen, werden detaillierte chemische Informationen über die Zusammensetzung und Struktur von Oberflächen benötigt. Die Schwingungsspektroskopie kann diese Informationen liefern und wird bereits vielseitig zur Charakterisierung verschiedener Substanzen in einem breiten Spektrum von wissenschaftlichen Bereichen über Physik, Chemie, Biologie bis hin zur Medizin eingesetzt. In der Oberflächenwissenschaft und der Forschung zur heterogenen Katalyse hat die Schwingungsspektroskopie lange eine zentrale Rolle gespielt, um chemische Spezies auf Oberflächen zu identifizieren und mikroskopische Reaktionsmechanismen auf molekularer Ebene zu untersuchen. 

Es gibt zwar bereits passende Methoden zur Untersuchung dieser Dinge, wie z.B. die Raman-Spektroskopie, aber es mangelt ihnen an Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung. "Die spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie ist eine neue Methode, die die chemische Empfindlichkeit der Raman-Spektroskopie mit der atomaren Auflösung der Rastersondenmikroskopie kombiniert. Jüngste Entwicklungen erlauben es uns sogar, einzelne Moleküle zu beobachten. Nun hat ein Forscherteam am Fritz-Haber-Institut einen neuartigen Weg aufgezeigt, die Empfindlichkeit dieser Spektroskopie weiter zu erhöhen", erklärt Takashi Kumagai, Forschungsgruppenleiter in der Abteilung für Physikalische Chemie und Zentrum für Mesoskopische Wissenschaften am Institut für Molekularwissenschaft, Japan.

Der Schlüssel zu all dem ist die präzise Steuerung eines auf den Nanometerbereich beschränkten Lichts, des so genannten plasmonischen Feldes, das die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung der Spektroskopie bestimmt. Das Team um Takashi Kumagai hat Techniken entwickelt, um dieses "Nanolicht", das an einer atomar scharfen Metallspitze auftritt, zu nutzen. Um die weitgehend unbekannten Eigenschaften eines solchen extrem lokalisierten Lichts und seine Wechselwirkung mit Materialien zu erforschen, hat das Forscherteam der Abteilung Physikalische Chemie ein hochmodernes Rastersondenmikroskop in Kombination mit Laseroptik und Nanoplasmonik entwickelt. Sie fanden etwas Bemerkenswertes heraus: Als sie TERS zur Untersuchung eines Oxidfilms auf einer Metalloberfläche einsetzten, entdeckten sie, dass die Raman-Streuung dramatisch verstärkt werden kann, indem ein atomarer Punktkontakt zwischen der Spitze und der Oberfläche gebildet wird. Da die Raman-Streuung wertvolle materialspezifische Informationen enthält, bedeutet dies, dass die Forscher mehr über die untersuchte Oberfläche erfahren können. Das Experiment zeigte außerdem, dass diese dramatische Zunahme stark von den chemischen Eigenschaften des atomaren Punktkontakts abhängt. Diese Erkenntnis wird die Möglichkeiten von TERS zur Untersuchung von Strukturen auf atomarer Ebene und der Chemie von Nanosystemen zusätzlich erweitern.

"Erst vor kurzem wurde festgestellt, dass Licht auf diese Weise eingeschränkt werden kann. Unsere Perspektive ist es, mit dem neuen Rastersondenmikroskop viel mehr über die faszinierende Wechselwirkung zwischen extremem Licht und Materie auf atomarer Ebene zu erfahren", erklärt Takashi Kumagai. Diese Methode birgt großes Potenzial für die ultraempfindliche und hochauflösende Spektromikroskopie, und wird es den Wissenschaftler*innen wahrscheinlich ermöglichen, bisher unbekannte Photophysik und Photochemie in der Nanowelt zu untersuchen.

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