Für die Herstellung der nächsten Generation optischer Geräte wie Solarpanelen, LEDs sowie Transistoren werden dreidimensionale Bilder benötigt, die zeigen, wie das Licht im Nanobereich mit diesen Objekten interagiert. Traditionelle bildgebende Verfahren stehen hier vor einem Problem: Je kleiner ein Objekt ist, desto geringer ist auch die dreidimensionale Auflösung. Jetzt haben Wissenschaftler der Stanford University und des FOM Institute AMOLF ein Verfahren entwickelt, dass die optischen Eigenschaften von Objekten hochauflösend sichtbar macht, die nur Tausendstel der Größe eines Sandkorns haben.

Kathodolumineszenz und Tomografie

Das Team um Ashwin Atre hat mit der Kathodolumineszenz und der Tomografie zwei Verfahren miteinander kombiniert. Damit wird die Schaffung von 3D-Darstellungen der optischen Eigenschaften von Objekten in diesem Bereich möglich. Ziel war ein bogenförmiges Objekt mit einem Durchmesser von 250 Nanometern, das mehrere hundert Mal so dünn wie ein menschliches Haar ist.
Um die optischen Eigenschaften zu studieren, wurde das Objekt zuerst mit einem modifizierten Rasterelektronenmikroskop dargestellt. Als der fokussierte Elektronenstrahl das Objekt durchdrang, wurden Photonen freigesetzt. Dieser Vorgang wird als Kathodolumineszenz bezeichnet. Die Intensität und die Wellenlänge der abgestrahlten Photonen waren abhängig davon, von welchem Bereich des Objekts der Elektronenstrahl abgegeben wurde.
Durch das Scannen des gesamten Objekts erstellten die Experten eine zweidimensionale Abbildung dieser optischen Eigenschaften. Jedes Pixel dieses Bildes enthielt auch Infos über die Wellenlänge der emittierten Photonen - und zwar im sichtbaren und fast schon infraroten Bereich. Dieses Kathodolumineszenz-Darstellungsverfahren machte die charakteristische Art und Weise sichtbar, in der das Licht mit diesem Objekt interagiert.

Umfassendes Anwendungsspektrum

Laut Atre haben 2D-Bilder Einschränkungen: "Das ist so, als wollte man eine Person über ihren Schatten erkennen. Hier wollten wir einen wirklichen Fortschritt erreichen." Um das Verfahren in die dritte Dimension zu überführen, neigte das Team das Objekt und scannte es neu ein. Die zweidimensionalen Emissionsdaten wurden aus einer Reihe von Winkeln gesammelt. Jeder dieser Winkel lieferte Infos über den Ausgangspunkt des optischen Signals.
Mithilfe der Tomografie wurde diese Serie von 2D-Bildern kombiniert, um eine 3D-Darstellung der optischen Eigenschaften zu erreichen. Diese experimentelle Darstellung zeigt mit einer Genauigkeit von zehn Nanometern, wo in der Struktur Licht emittiert wird. Das Verfahren kann laut Atre in vielen Bereichen eingesetzt werden. "Ein Beispiel ist die Herstellung von LEDs, bei denen die Art und Weise, wie das Licht abgegeben wird, optimiert werden soll."
Dies ist aber auch bei Solarpanelen denkbar. Hier lässt sich die Aufnahmefähigkeit von Licht durch die eingesetzten Materialien verbessern. Das Verfahren könnte sogar für die Darstellung von biologischen Systemen adaptiert werden. Fluoreszierende Marker würden dann überflüssig. Die Forschungsergebnisse wurden im renommierten Fachmagazin "Nature Nanotechnology" veröffentlicht.