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Datum: 29. Juli 2013, Nr. 58

Hochempfindliche Sensorchips werden effizienter

Stuttgarter Physiker vermessen erstmalig Nahfelder von dreidimensionalen optischen Nanoantennen.

Forscher der Universität Stuttgart haben erstmalig Nahfelder von optischen dreidimensionalen Nanoantennen vermessen. Daniel Dregely und Prof. Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut stellten ihre Ergebnisse, die mit neuartiger Nanospektroskopie erzielt wurden, in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ vor.*) Diese Methode liefert neue Erkenntnisse in der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf der Nanoskala und ermöglicht es, optische Felder von Nanoantennen präzise zu vermessen. In zukünftigen hoch-empfindlichen Sensor-Chips, die auf optischen Antennen basieren, lässt sich damit die Detektionseffizienz optimieren.

Moleküle können mit mittelinfraroter Fernfeld-Spektroskopie aufgrund ihrer Vibrationsschwingungen, dem sogenannten spektralen Fingerabdruck, eindeutig identifiziert werden. Hierzu sind jedoch große Mengen an Molekülen nötig, da die Anregung der Vibrationsschwingung sehr ineffizient ist. Metallische optische Nanoantennen sind resonant zu einfallendem Licht und erzeugen hohe Nahfelder in ihrer direkten Umgebung. Diese erzeugten hohen Intensitäten ermöglichen es, einige wenige Moleküle oder sogar einzelne Moleküle mit Hilfe spektroskopischer Methoden sichtbar zu machen. Aufgrund ihres Fingerabdrucks können die Moleküle auch eindeutig identifiziert werden. Dies spielt eine entscheidende Rolle in der Früherkennung von Krankheiten, in der hoch-sensitiven Detektion von schädlichen Substanzen und bei gefährlichen Konzentrationen von explosiven Gasgemischen.

Die Stuttgarter Forscher schafften es nun, wenige Moleküle neben Gold-Nanoantennen zu platzieren. Mit ihrer Technologie, die auf Elektronenstrahllithographie basiert, erreichten sie nanometergenaue Positionierung der Moleküle an verschiedene Stellen der Nanoantenne. Aufgrund der großen Nahfelder an der Nanoantenne wurde die Schwingungsanregung in den Molekülen um Größenordnungen effizienter und konnte mit konventioneller Spektroskopie sichtbar gemacht werden. Zum ersten Mal konnte so experimentell der physikalische Prozess der Schwingungsanregung auf der Nanometerskala identifiziert werden. Konkret fand die Forschergruppe heraus, dass die Effizienz der Schwingungsanregung direkt mit den von den Antennen generierten Nahfeldintensitäten skaliert.

Mit dieser Erkenntnis entwickelten die Forscher eine Methode, um Nahfelder von optischen Antennen quantitativ zu messen. Die Auflösungsbegrenzung von konventioneller Mikroskopie konnte hier umgangen werden, da das Detektionsvolumen, in dem sich die Moleküle befinden, um ein Vielfaches kleiner als die Wellenlänge ist. Im Vergleich zu bestehenden Mikroskopie-Techniken im optischen Nahfeld, die ebenfalls Auflösungen kleiner als die Wellenlänge erzielen, hat die Methode der Stuttgarter Physiker den einzigartigen Vorteil, Nahfeldverteilungen von dreidimensionalen Antennenstrukturen zu messen. Hierbei gelang es Daniel Dregely, während des Fabrikationsprozesses einer dreidimensionalen Antennenstruktur Moleküle an definierte Stellen einzubringen und die Schwingungsanregung und somit ihre Nahfeldintensität zu messen. Solche komplexe Nanostrukturen liefern einen weiteren Freiheitsgrad, um die Wechselwirkung im Nanometerbereich von Licht mit einzelnen Molekülen zu erhöhen. Es ist ganz wesentlich, die Nahfeldverteilung genau zu kennen, um neuartige, hoch-sensitive Sensorik-Platformen, zu entwickeln.


*) Referenz: D. Dregely, F. Neubrech, H. Duan, R. Vogelgesang, and H. Giessen, “Vibrational near-field mapping of planar and buried three-dimensional plasmonic nanostructures”, Nature Communications (2013). http://www.nature.com/naturecommunications

Kontakt:
Prof. Harald Giessen, Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-65111,
E-Mail: giessen (at) physik.uni-stuttgart.de
oder
Dipl.-Phys. Daniel Dregely, Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-64961,
E-Mail: d.dregely (at) physik.uni-stuttgart.de

 
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Moleküle (blau) werden entlang dreidimensionaler Nanoantennen nanometergenau positioniert und zu Schwingungen angeregt. Die Schwingungsstärke hängt von der Nahfeldverteilung (rot) der optischen Antennen ab und kann im Fernfeld gemessen werden (weiße Kurve). (Abbildung Universität Stuttgart)