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25. Juni 2024

Neuartige Raman-Spektroskopie­methode zur Untersuchung von Dünnschichten und Oberflächen

Wesentliche Verbesserung der Ober­flächen­sensitivität für Raman-Signale durch aufbringbare poröse Goldmembran

Schematische Abbildung der neuartigen Raman-Spektroskopiemethode © Heeg/HU Berlin
Schematische Abbildung der neuartigen Raman-Spektroskopiemethode zur Untersuchung von Dünnschichten und Oberflächen © Heeg/HU Berlin

In einer kürzlich erfolgten Zusammenarbeit der Emmy Noether-Forschungsgruppe „Physics of low-dimensional systems“ um IRIS Adlershof-Mitglied Dr. Sebastian Heeg an der HU Berlin haben Forscher des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ), der Université Le Mans und der ETH Zürich mit der Entwicklung der oberflächensensitiven Raman-Streuung eine neue Methode der Raman-Spektroskopie realisiert. Dieser neue Ansatz behebt eine wesentliche Einschränkung der konventionellen Raman-Spektroskopie, bei der die Signale von Oberflächen oder dünnen Filmen oft schwach sind und durch dominante Signale der Grundsubstanz (Bulk) verdeckt werden.

Oberflächen spielen in Wissenschaft und Industrie eine zentrale Rolle, da hier die meisten Wechselwirkungen mit der Umwelt stattfinden, einschließlich chemischer Reaktionen, Adhäsion, Reibung und Interaktionen mit Licht. Die Oberflächeneigenschaften können sich in Bezug auf die chemische Zusammensetzung, die atomare Anordnung und die elektronische Struktur erheblich von den Eigenschaften der Grundsubstanz unterscheiden, was sich auf technologische Fortschritte wie Katalysatoren und Solarzellen auswirkt. Die Raman-Spektroskopie, ein leistungsfähiges, nicht-destruktives Verfahren zur Analyse von Molekülschwingungen, gibt Aufschluss über die chemische Zusammensetzung, Kristallinität, Defekte und Dehnung eines Materials. Sie ist besonders wertvoll für die Charakterisierung von Nanomaterialien, dünnen Filmen und biologischen Proben, bei denen präzise Oberflächeninformationen unerlässlich sind.

Die Anwendung der konventionellen Raman-Spektroskopie ist bei Oberflächen und dünnen Filmen durch dominante Bulk-Signale eingeschränkt. Das Aufbringen poröser Goldmembranen (PAuMs) ermöglicht jedoch die Untersuchung oberflächenspezifischer Raman-Signale mit noch nie dagewesener Klarheit. PAuMs enthalten unregelmäßige, schlitzförmige Nanoporen, die als plasmonische Antennen wirken. Wenn PAuM auf einer Oberfläche oder einem dünnen Film von Interesse platziert wird, verstärken die Nanoporen das Raman-Signal der direkt darunter liegenden Oberfläche, während die Membran selbst die Signale des Bulks unterdrückt. Die Kombination dieser Effekte verbessert das Verhältnis von Oberflächen- zu Bulksignalen um drei Größenordnungen und ermöglicht eine tatsächlich oberflächenempfindliche Raman-Streuung.

Die Forscher verwendeten Graphen als Modelloberfläche und beobachteten, dass die Nanoporen in den Membranen das Ramansignal von Graphen um das Hundertfache verstärken. Wenn man einen Abstandshalter zwischen Graphen und PAuM anbringt, zeigt sich, dass die Raman-Verstärkung auf die ersten 2-3 nm des Materials unter der Membran beschränkt ist, was eine echte Oberflächenempfindlichkeit zeigt. Eine erste prototypische Anwendung betrifft die Quantifizierung der Dehnung in einer 12,5 nm dünnen Si-Quantentopfschicht unter Verwendung von PAuMs. Die Schicht ist Teil einer Silizium-Germanium-Heterostruktur, die für die Verwendung von Spin-Qubits als vielversprechende und sich schnell entwickelnde Technologie für Quantencomputer entwickelt wurde.

In einem zweiten Anwendungsfall werden PAuMs zur Untersuchung der Oberfläche eines dünnen LaNiO3-Films, eines metallischen Perowskits, der als Elektrodenmaterial verwendet wird, eingesetzt. Die elektrische Leitfähigkeit von LaNiO3-Filmen ist stark an ihre kristallografische Struktur gekoppelt und kann durch die Filmdicke reguliert werden. Als PAum auf LaNiO3 aufgebracht wurde, beobachteten die Autoren eine Raman-Modenaufspaltung, die von der Filmoberfläche ausgeht und auf einen Unterschied in der Oberflächenstruktur im Vergleich zum Bulk hinweist. Dieses Ergebnis stimmt mit theoretischen Vorhersagen und Beobachtungen aus rastertunnelmikroskopischen Untersuchungen überein.

„Unsere Arbeit verbindet zwei verschiedene Forschungsfelder“, sagt Dr. Heeg. „Konzeptionell erweitern wir das Gebiet der plasmonenverstärkten Raman-Spektroskopie, die fast ausschließlich zur Untersuchung und Erkennung von molekularen Verbindungen und Nanostrukturen eingesetzt wird, auf den Bereich der Festkörpermaterialien wie Silizium-Quantentöpfe, dünne komplexe Oxidfilme und entsprechende Oberflächen.“ Das Team erforscht nun das Potenzial der Methode mit Partnern in Berlin und internationalen Kollaborateuren.

Dr. Pietro Marabotti, Einstein International Postdoctoral Fellow in Heegs Gruppe und Mitautor der Studie, merkt an, dass „unser Ansatz nicht auf kristalline Oberflächen beschränkt ist, die wir als Vorzeigebeispiel nutzen, sondern auch zur Untersuchung von z.B. biologischen Oberflächen oder oberflächengebundenen chemischen Reaktionen verwendet werden kann.“ Forscher, die sich für die Methode interessieren, sind eingeladen, sich mit dem Team in Verbindung zu setzen.

Publikation:

Bulk-suppressed and surface-sensitive Raman scattering by transferable plasmonic membranes with irregular slot-shaped nanopores
Roman M. Wyss, Günther Kewes, Pietro Marabotti, Stefan M. Koepfli, Karl-Philipp Schlichting, Markus Parzefall, Eric Bonvin, Martin F. Sarott, Morgan Trassin, Maximilian Oezkent, Chen-Hsun Lu, Kevin-P. Gradwohl, Thomas Perrault, Lala Habibova, Giorgia Marcelli, Marcela Giraldo, Jan Vermant, Lukas Novotny, Martin Frimmer, Mads C. Weber, and Sebastian Heeg
Nat. Commun. 15, 5236 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49130-2

Lesen Sie dazu auch die Pressemitteilung des IKZ

Kontakt:

Dr. Sebastian Heeg
Humboldt-Universität zu Berlin
IRIS Adlershof & Institut für Physik
+49 30 2093-82295
sebastian.heeg(at)physik.hu-berlin.de
www.physik.hu-berlin.de/en/pld

  

Quelle: IRIS Adlershof, 19.06.2024

Analytik Außeruniversitäre Forschung Hochschulen Mikrosysteme / Materialien Photonik / Optik Wissenstransfer

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