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Neuausrichtung einer Standardtechnik für die Optik im Nanobereich

Die Elektronenmikroskopie verwendet Elektronenstrahlen, um Strukturen bis in den Nanometerbereich abzubilden. Das Verständnis darüber, wie sich Licht auf dieser Ebene verhält, ist für die zukünftige Untersuchung optischer Materialien, die Weiterentwicklung der Bildgebung und die Entwicklung optoelektronischer Geräte, einschließlich Solarzellen und Quanteninformationstechnologie, von größter Bedeutung.

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Kathodolumineszenz ist ein physikalisches Phänomen, das erstmals in den 1960er Jahren beobachtet wurde und bei dem Licht von einem Material emittiert wird, wenn dieses von einem Elektronenstrahl getroffen wird. In der Vergangenheit wurde Kathodolumineszenz in Kathodenstrahlröhren-Fernsehern zur Erzeugung von Bildern und in der Geologie zur Charakterisierung von Mineralien verwendet.

Ein neuartiges auf Kathodolumineszenz basierendes Elektronenmikroskop

Forschende des vom Europäischen Forschungsrat (EFR) finanzierten Projekts SCEON kombinierten die Eigenschaften der Kathodolumineszenz-Spektroskopie und der elektronenmikroskopischen Bildgebung in einem neuartigen Kathodolumineszenz-System. In der Kathodolumineszenz-Spektroskopie wird das Licht, das Strukturen bei ihrer Wechselwirkung mit den Elektronen emittieren, gesammelt und analysiert, wodurch funktionelle optische Informationen bereitgestellt werden. „Unser Ziel war es, die Vorteile des Elektronenmikroskops und der optischen Bildgebung in einem weltweit einzigartigen System zu kombinieren“, erklärt der EFR-Stipendiat und Hauptforscher Albert Polman. Kathodolumineszenz liefert Informationen über die Wechselwirkung von Licht und Materie. Da hier Elektronen zum Einsatz kommen, liegt die Auflösung im Nanometerbereich. Die Funktionsweise des Kathodolumineszenz-Systems von SCEON besteht darin, die von der mit Elektronen beschossenen Probe emittierten Photonen mithilfe eines Parabolspiegels einzusammeln. Dadurch wird die Lichtsammeleffizienz von Nanostrukturen gesteigert und selbst Messungen an schwach lichtemittierenden Proben wie Metallen ermöglicht. Gleichzeitig hat die SCEON-Technologie auch viele praktische Anwendungen in der Geologie, der Halbleitermesstechnik und bei der Herstellung von Photovoltaik-Materialien, wodurch die Leistung von lichtemittierenden Geräten und Solarzellen verbessert wird. Die Manipulation einzelner Photonenquellen mit dem Kathodolumineszenz-System wird die Weiterentwicklung der Quanteninformationstechnologie begünstigen. Darüber hinaus ermöglicht das Kathodolumineszenz-System von SCEON auch die Untersuchung des zeitlichen Verhaltens des emittierten Lichts im Nanobereich. Die Wissenschaft erhält damit die Möglichkeit, die zugrunde liegenden physikalischen Phänomene in diesem kleinen Maßstab zu untersuchen und grundlegende Fragen im Zusammenhang mit der Wechselwirkung von Elektronen mit Nanostrukturen zu beantworten. Durch die Verwendung von Elektronenimpulsen kann das Kathodolumineszenz-System von SCEON neue Einblicke in die Dynamik der Elektronen- und Lichtanregung gewähren, da das Gerät eine zeitliche Auflösung ermöglicht. Die Studien von SCEON zu Kathodolumineszenz-Mikroskopen, einschließlich der Untersuchung der Lichtemission in verschiedenen Nanostrukturen, haben zu einer Vielzahl interessanter Ergebnisse geführt. Außerdem konnten die Forschenden die Emissionseffizienz von Halbleitern in Solarzellen bei sehr hoher räumlicher Auflösung bestimmen und die Wechselwirkungen extrem schneller Laser- und Elektronenpulse analysieren, die durch metallische Nanostrukturen vermittelt werden.

Zukunftsaussichten für das Kathodolumineszenz-Mikroskop

Die Kathodolumineszenz-Mikroskope wurden in Zusammenarbeit mit AMOLF, Thermo Fisher und Delmic entwickelt, die 2014 die erste kommerzielle Version des Instruments auf den Markt brachten. Das Kathodolumineszenz-Mikroskop wurde zudem mit dem „Innovationspreis für Materialcharakterisierung“ der Materials Research Society ausgezeichnet. „Wir haben den Proof of Concept Grant des Europäischen Forschungsrates erhalten, um eine kommerzielle Tischversion unseres neuen Mikroskops zu entwickeln, die potenziell bei einem weiten Kreis von Nutzern Anwendung finden kann“, betont Polman. Seit der ersten Charakterisierung des physikalischen Phänomens der Kathodolumineszenz haben Forschende die Kathodolumineszenz-Bildgebungsspektroskopie für wissenschaftlichere Zwecke weiterentwickelt. „Unser System bietet im Wesentlichen die Möglichkeit, jedes Metall, jeden Halbleiter, jedes dielektrische Material oder jede Nanostruktur zu untersuchen und physikalisch sehr genau im Raum zu sehen, wie Licht in diesen Materialien schwingt, in welche Richtung es emittiert wird und wie lange diese Wechselwirkungen andauern“, fährt Polman fort. Das Verständnis der Wechselwirkung von Hochgeschwindigkeitselektronen mit Nanostrukturen wird zur Entwicklung und Implementierung preiswerterer und effizienterer Photovoltaik, optoelektronischer Miniaturschaltungen und Leuchtdioden beitragen.

Schlüsselbegriffe

SCEON, Kathodolumineszenz, Elektronenmikroskop, Spektroskopie, Nanostruktur, Solarzelle, Photovoltaik

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