Erste faseroptische Nanotip-Elektronenkanone ermöglicht einfachere Bildgebung und Abtastung im Nanomaßstab.

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Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums und der Universität von Nebraska haben eine einfachere Methode zur Erzeugung von Elektronen für die Bildgebung und Abtastung im Nanomaßstab entwickelt, die ein nützliches neues Werkzeug für die Materialwissenschaft, die Bio-Bildgebung und die grundlegende Quantenforschung darstellt.

In einer Studie, die im New Journal of Physics veröffentlicht wurde, berichteten die Forscher, dass das Abfeuern von intensiven Laserimpulsen durch einen faseroptischen Nanotip die Spitze dazu veranlasst, Elektronen zu emittieren, wodurch eine schnelle “Elektronenkanone” entsteht, mit der Materialien untersucht werden können. Das Gerät ermöglicht es den Forschern, Oberflächen schnell aus jedem beliebigen Winkel zu untersuchen, was einen enormen Vorteil gegenüber weniger mobilen bestehenden Techniken bietet.

“Es funktioniert nach dem Prinzip der Lichtaktivierung, d.h. Licht kommt herein und stimuliert die Elektronen im Metall genau auf die richtige Art und Weise, damit sie genug Energie gewinnen, um wieder herauszukommen”, sagte Ali Passian von der ORNL-Gruppe Quanteninformationswissenschaften.

Elektronen sind ein unschätzbares Werkzeug, um die Oberflächeneigenschaften von Materialien aus der Nähe zu betrachten. Die subatomaren Teilchen, die kürzere Wellenlängen als Photonen haben – Lichtteilchen – können Objekte mit einer Auflösung von einem Nanometer oder einem Milliardstel Meter vergrößern – exponentiell höher als die Lichtvergrößerung.

Seit Mitte der 2000er Jahre verwenden Forscher scharfe Nanotips, um Elektronen in eng gebündelten Strahlen zu emittieren. Die Nanotips bieten im Vergleich zu anderen Rasterelektronenmikroskopie-Techniken eine verbesserte räumliche und zeitliche Auflösung und helfen den Forschern, laufende Wechselwirkungen auf der Nanoskala besser zu verfolgen. Bei diesen Techniken werden Elektronen emittiert, wenn Photonen die Spitzen anregen.

Vor dieser Studie haben sich die Nanotip-Emissionsmethoden jedoch auf die Anregung durch externes Licht verlassen. Um Elektronen zu erzeugen, mussten die Forscher die Laserstrahlen sorgfältig auf die Spitze des Nanotips ausrichten.

“Früher mussten die Laser die Spitzen verfolgen, was technologisch viel schwieriger zu bewerkstelligen ist”, sagte Herman Batelaan, ein Koautor der Studie, der die Forschung zur Elektronenkontrolle an der Universität von Nebraska leitet. Die Schwierigkeit der Aufgabe schränkte ein, wie schnell und aus welcher Position Bilder aufgenommen werden konnten.

Aber Passian hatte eine Idee für einen anderen Ansatz. Indem er Laserlicht durch eine flexible optische Faser schoss, um deren verjüngten, metallbeschichteten Nanotip von innen zu beleuchten, sagte er voraus, dass er ein leichter manövrierbares Werkzeug schaffen könnte.

“Die Idee war, dass man aufgrund der Einfachheit und Geschlossenheit – das Licht breitet sich von innen aus – verschiedene Teile des Materials in verschiedenen Höhen und seitlichen Positionen sondieren kann”, sagte Passian.

Um herauszufinden, ob seine Idee möglich war, schloss sich Passian mit Batelaan und dann mit dem Doktoranden Sam Keramati von der Universität von Nebraska zusammen. Das Team in Nebraska benutzte einen Femtosekundenlaser, um ultrakurze, intensive Pulse durch eine optische Faser in eine Vakuumkammer zu schießen. In der Kammer bewegte sich das Licht durch einen goldbeschichteten Faser-Nanotip, der am ORNL hergestellt worden war.

Das Team beobachtete tatsächlich eine kontrollierte Elektronenemission aus dem Nanotip. Bei der Analyse der Daten schlugen sie vor, dass der Mechanismus, der die Emission ermöglicht, kein einfacher ist, sondern vielmehr eine Kombination von Faktoren beinhaltet.

Ein Faktor ist, dass die Form und die Metallbeschichtung des Nanotips ein elektrisches Feld erzeugt, das hilft, Elektronen aus der Spitze herauszudrücken. Ein weiterer Faktor ist, dass dieses elektrische Feld an der Spitze des Nanotips durch spezifische Wellenlängen des Laserlichts verstärkt werden kann.

“Durch die Abstimmung des Femtosekundenlasers auf die richtige Wellenlänge, die wir die Oberflächenplasmonen-Resonanzwellenlänge nennen, haben wir festgestellt, dass wir über die Schwellenemission hinausgekommen sind”, sagte Keramati. Oberflächenplasmonenresonanz bedeutet eine kollektive Schwingung der Elektronen an der Oberfläche des Metalls. Emission oberhalb der Schwelle tritt auf, wenn Elektronen genügend Energie von Photonen absorbieren, um mit einer anfänglichen kinetischen Energie ausgeschossen zu werden.

Um zu verifizieren, dass die Elektronen durch Licht und nicht durch Wärme emittiert wurden, untersuchte das Team die Nanotips selbst. Die Spitzen wurden während des Experiments nicht beschädigt, was darauf hinweist, dass der Emissionsmechanismus tatsächlich durch Licht angetrieben wird.

Ein zusätzlicher Vorteil der neuen Technik, so fanden sie heraus, besteht darin, dass die schnell schaltende Kapazität der Laserquelle es ihnen erlaubt, die Elektronenemission mit Geschwindigkeiten von mehr als einer Nanosekunde zu kontrollieren. Dies wird ihnen eine bessere Möglichkeit geben, Bilder mit hoher Geschwindigkeit aufzunehmen. Solche Bilder können dann fast wie ein Film zusammengesetzt werden, um komplexe Wechselwirkungen auf der Nanoskala zu verfolgen.

Herunterdrehen der Leistung

Erfreut über diese ersten Ergebnisse beschloss das Team, zu testen, ob sie ein ähnliches Ergebnis mit einem weitaus weniger leistungsstarken Dauerstrichlaser erzielen konnten, dem gleichen Typ, der in einem alltäglichen Laserpointer zu finden ist. Um den Mangel an Laserleistung auszugleichen, erhöhten sie die Spannung am Nanotip und erzeugten eine Energiepotenzialdifferenz, von der sie glaubten, sie könne helfen, Elektronen auszustoßen. Zu ihrer Überraschung funktionierte es.

“Nach unserem Wissen ist dies die kleinste Laserintensität, die zu einer Elektronenemission aus Nanotips geführt hat”, sagte Keramati, jetzt Postdoc-Forscher, über die Ergebnisse, die in Applied

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