Forscher der ETH Zürich haben eine innovative Technik zur Untersuchung von Oberflächen entwickelt, einem wichtigen, aber komplexen Bereich der Materialwissenschaften. Diese auf der Verwendung einer ultrafeinen Goldmembran basierende Methode verspricht, die Charakterisierung von Oberflächen in vielen Technologiebereichen zu revolutionieren.
Ein interdisziplinäres Team aus Materialwissenschaftlern und Elektroingenieuren unter der Leitung von Professor Lukas Novotny von der ETH Zürich hat zusammen mit Kollegen der Humboldt-Universität Berlin eine Methode entwickelt, die vereinfacht die Oberflächencharakterisierung erheblich. Die Ergebnisse ihrer Forschung, die auf der Verwendung einer extrem dünnen Goldmembran basiert, wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Roman Wyss, ehemaliger Doktorand der Materialwissenschaften und Erstautor des Artikels, betont die Bedeutung von Oberflächen: „Ob Katalysatoren, Solarzellen oder Batterien, Oberflächen sind für ihre Funktionalität immer äußerst relevant».
Tatsächlich finden wichtige Prozesse in der Regel an Schnittstellen statt. Bei Katalysatoren handelt es sich um chemische Reaktionen, die an ihrer Oberfläche beschleunigt werden. In Batterien sind die Oberflächeneigenschaften der Elektroden entscheidend für deren Effizienz und Degradationsverhalten.
Seit vielen Jahren ist die Raman-Spektroskopie dient der zerstörungsfreien Untersuchung von Materialeigenschaften. Die Anwendung auf Oberflächen weist jedoch erhebliche Einschränkungen auf. Sebastian Heeg, der als Postdoktorand in der Gruppe von Lukas Novotny an den Experimenten mitgewirkt hat, erklärt: „Laserlicht dringt über mehrere Mikrometer in das Material ein, sodass das Frequenzspektrum hauptsächlich vom Volumen des Materials und nur zu einem sehr geringen Teil von seiner Oberfläche, die nur wenige Atomschichten umfasst, beeinflusst wird».
Um die Raman-Spektroskopie auch für Oberflächen nutzbar zu machen, entwickelten ETH-Forschende eine spezielle Goldmembran mit einer Dicke von nur 20 Nanometern, die längliche Poren von rund 100 Nanometern enthält. Wenn diese Membran auf eine zu untersuchende Oberfläche übertragen wird, treten zwei Phänomene auf: Erstens verhindert die Membran, dass der Laserstrahl das Volumen des Materials durchdringt. Zweitens wird das Laserlicht an Porenstellen fokussiert und nur wenige Nanometer in die Oberfläche reemittiert.
Sebastian Heeg fügt hinzu: „Die Poren fungieren als plasmonische Antennen, ähnlich der Antenne eines Mobiltelefons“. Die Antenne verstärkt das Raman-Signal von der Oberfläche bis zu tausendfach im Vergleich zum Signal herkömmlicher Raman-Spektroskopie ohne Membran. Diese Verstärkung wurde an mehreren Materialien nachgewiesen, darunter gespanntem Silizium und Lanthan-Nickeloxid (LaNiO3), einem Perowskit-Kristall.
Gespanntes Silizium, das für Anwendungen in der Quantentechnologie wichtig ist, konnte aufgrund des Hintergrundrauschens der Messung bisher nicht mit der Raman-Spektroskopie untersucht werden. Nach dem Aufbringen der Goldmembran erfolgte das Dehnungssignal selektiv verstärkt bis zu dem Punkt, an dem es klar von anderen Raman-Signalen im Material unterschieden werden kann.
Mads Weber, ehemaliger Postdoktorand an der ETH Zürich und jetzt Assistenzprofessor an der Universität Le Mans, betont die Bedeutung dieser Methode für die Untersuchung metallischer Perowskite wie Lanthan-Nickeloxid. Mit der neuen Goldmembran-Methode konnten Forscher erstmals Zugang zur Oberflächenstruktur dieses Materials erhalten.
Sebastian Heeg betont den nachhaltigen Aspekt dieses Ansatzes: „Auch aus Nachhaltigkeitsgesichtspunkten ist unser Ansatz interessant, da bestehende Raman-Geräte ohne großen Aufwand völlig neue Fähigkeiten erwerben können».
Auf die Zukunft hoffen Forscher ihre Methode weiter verbessern und an Benutzerwünsche anpassen. Durch die Herstellung einer Goldmembran mit gleichgroßen, parallel ausgerichteten Poren könnte das Verfahren beispielsweise für bestimmte Materialien optimiert werden und die Raman-Signalstärke um den Faktor Hundert weiter verbessert werden.
Bildunterschrift: Die Poren der von ETH-Forschern entwickelten Goldmembran verstärken den Laserstrahl in der Raman-Spektroskopie, sodass dieser nur die Oberfläche durchdringt (hellgrau), nicht aber die Masse des Materials (dunkelgrau). (Illustration: Scixel)
Wyss RM, Kewes G, Marabotti P et al. Massenunterdrückte und oberflächenempfindliche Raman-Streuung durch transferierbare plasmonische Membranen mit unregelmäßigen schlitzförmigen Nanoporen. Nature Communications 15, 5236 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49130-2
