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Donnerstag, 21.09.2017
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Schwingende Kristalle im Nanofokus

Infrarot-Licht ebnet neue Wege in der Nanoanalytik und Speichertechnik

Eine neuartige infrarot-optische Nanotechnologie, die auf Kristallgitter-Schwingungen (Phononen) beruht, entwickeln Forscher der Nano-Photonics Gruppe am Max-Planck-Institut für Biochemie. Mit Hilfe der "Phonon-Photonik" sind bisher undenkbare Anwendungen von Infrarotlicht möglich. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Materials" zeigen die Forscher, dass sie erstmals mit Hilfe von Infrarotlicht die Qualität von Kristallen mit nanoskopischer Auflösung analysieren können. Gleichzeitig demonstrieren die Wissenschaftler mit ihren Ergebnissen den ersten Infrarot-Datenspeicher mit Speicherdichten jenseits der von DVDs.
Modell eines Nahfeldmikroskops

Modell eines Nahfeldmikroskops

Die Wellennatur des Lichts begrenzt die Auflösung in der Mikroskopie und Lithographie, aber auch die Speicherdichte in der optischen Datenspeicherung auf die Wellenlänge des Lichts, das heißt auf einige hundert Nanometer (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). Neuere Entwicklungen gehen deshalb zu immer kürzeren Wellenlängen (ultraviolettes Licht) über. Hingegen gehen die Forscher um Rainer Hillenbrand am Max-Planck-Institut für Biochemie den entgegengesetzten Weg: Sie entwickeln eine optische Nanotechnologie mit besonders langwelligem Licht, nämlich Infrarot- beziehungsweise Wärmestrahlung.

Lange Wellen statt kürzerer


Infrarotlicht hat die Besonderheit, dass sich damit die chemische Zusammensetzung und die Kristallstruktur von Stoffen analysieren lassen. Die so genannte Infrarotspektroskopie ist daher eine weit verbreitete Methode in der Materialforschung, der (bio-)chemischen Analytik oder auch in der Biomedizin. Die langen Wellenlängen von Infrarotlicht begrenzen aber leider das räumliche Auflösungsvermögen von Infrarot-Spektrometern oder Mikroskopen auf einige Mikrometer. Dadurch ist es unmöglich, die Zusammensetzung von Materialien auf der nanoskopischen Skala zu untersuchen. Gerade diese Längenskala ist aber von entscheidender Bedeutung für die Analyse neuartiger Nanokomposit-Materialien oder biologischer Strukturen wie Zellmembranen.

Auflösung hundertfach besser


Seit einigen Jahren arbeiten die Martinsrieder Wissenschaftler deshalb an der Entwicklung einer neuartigen Mikroskopie-Technik, die mit einer optischen Antenne Auflösungen unabhängig von der Wellenlänge des eingesetzten Lichts ermöglicht und die Vorteile der Infrarotspektroskopie auch für die Nanoanalytik nutzbar macht. Bei ihrem so genannten Nahfeldmikroskop rastert eine extrem feine Abtastnadel eine Oberfläche ab. Gleichzeitig bündelt die Nadel das dabei eingestrahlte Licht - ähnlich wie eine Antenne - zu einem winzigen Leuchtfleck, bis zu 300-mal stärker als die beste Fokussierlinse. Vor zwei Jahren hatten die Wissenschaftler nachgewiesen, dass sie mit dem gebündeltem Infrarotlicht Gitterschwingungen in polaren Kristallen anregen können, und zwar in einem Bereich von nur wenigen. Je nach Kristallzusammensetzung benötigt man dafür ganz spezielle Wellenlängen, die eine Art Infrarot-Fingerabdruck des Kristalls darstellen.


Jetzt ist Nenad Ocelic und Rainer Hillenbrand der experimentelle Nachweis gelungen, dass man durch Anregung von Gitterschwingungen mit einem Nahfeldmikroskop tatsächlich die Qualität von Kristallen abbilden kann. Die Auflösung ist dabei 100-mal besser als die von konventionellen Infrarot-Mikroskopen. Die Forscher ließen dazu die Oberfläche von Siliziumkarbid-Kristallen (SiC) lokal mit Ionen bestrahlen. Die Ionen hinterlassen beim Eindringen in den Kristall eine Schädigung, die man anhand des Infrarotbilds nachweisen kann.

Die Kristallschädigung schränkt die Infrarot-Anregung von Gitterschwingungen stark ein, was sich im Infrarotbild an einer stark reduzierten Bildhelligkeit erkennen lässt. Da die Nahfeldmikroskopie nicht nur eine Auflösung im Nanometerbereich ermöglicht, sondern auch noch zerstörungsfrei ist, eignet sie sich neben Anwendungen in der Materialforschung auch für die Qualitätskontrolle in der Kristallzucht oder der Waferproduktion in der Halbleitertechnologie.

Neue Wege für optische Speicher


Mit diesen Erkenntnissen öffnen sich auch neue und überraschende Perspektiven für die optische Datenspeicherung. Die kleinsten Strukturen (Bits), die die Forscher herstellen und nachweisen konnten, sind jetzt schon 100-mal kleiner als die Wellenlänge des Infrarotlichts. Trotzdem kann das Nahfeldmikroskop sie mit enormer Schärfe abbilden. Obwohl die benutzte Wellenlänge etwa 20 mal länger ist als die von sichtbarem Licht, das zum Lesen von optischen Datenspeichen eingesetzt wird, konnten die Forscher mit ihrem Bit-Muster bereits eine Speicherdichte jenseits der von DVDs erreichen.

Da Siliziumcarbid-Kristalle, die beispielsweise als hartes Granulat auf Schleifpapier genutzt werden, und die Datencodierung durch lokale Kristallschädigung physikalisch, chemisch und thermisch sehr stabil ist, könnte sich die Methode besonders gut für die Langzeitdatenspeicherung etwa zu Archivierungszwecken eignen. "Durch weitere Optimierung unserer Technik sollten Speicherdichten von bis zu 1 Terabit pro Quadratzentimeter möglich sein", so Rainer Hillenbrand, Leiter der selbstständigen Nachwuchsgruppe.
(MPG, 01.09.2004 - NPO)
 
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