Die spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) kann eine räumliche Auflösung von unter einem Nanometer erzielen und damit molekulare Strukturen und Abläufe „sichtbar“ machen, die mit anderen spektroskopischen Methoden verborgen bleiben. Jedoch sind die theoretischen Grundlagen für diese extrem hohe Auflösung bislang nur unzureichend verstanden. Ein Forscher-Team um Prof. Volker Deckert, Abteilungsleiter am Leibniz-Institut für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT), hat in einer Veröffentlichung erstmals die zugrundeliegenden Effekte mit relativ einfachen theoretischen Modellen beschrieben.

Die Forscher aus Spanien und Jena fanden mit Hilfe elektrodynamischer Berechnungen heraus, dass die Topographie der winzigen, plasmonischen Metallpartikel an der Oberfläche der TERS-Spitze großen Einfluss auf die unerwartet hohe räumliche Auflösung und Empfindlichkeit der Methode hat. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen atomar kleine Substrukturen an der Oberfläche der teils kristallinen Silbernanopartikel. An ihnen werden den Modellen zu Folge die erzeugten elektromagnetischen Felder im Nanometerbereich lokalisiert und um mehrere Größenordnungen verstärkt. Die Berechnungen zeigen zudem, dass erst bei einem Abstand von weniger als einem Nanometer zwischen den Substrukturen an der TERS-Spitze und dem Untersuchungsmaterial das Signal um ein Vielfaches verstärkt wird.

Im Gegensatz zu den üblichen quantenmechanischen Modellen, erlaubt die hier eingesetzte klassische elektrodynamische Modellierung einfachere und schnellere Berechnungen der erzeugten elektromagnetischen Felder. Damit lässt sich der Einfluss unterschiedlicher Geometrien der Metallpartikel und deren Substrukturen für verschiedenen experimentelle Anwendungen im Vorfeld testen.

Die Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift Nanoscale (Nanoscale, 2017, 9, 391–401). Ein Übersichtsartikel, der Mitte des Jahres erschien, diskutiert die fundamentale Frage nach der Grenze des Auflösungsvermögens der Methode sowie die Diskrepanz zwischen experimentell erzielten und theoretisch vorhersagbaren Ergebnissen.

 

Atomare Substrukturen auf der Oberfläche metallischer Nanopartikel (linke Bildhälfte) ermöglichen die extrem hohe Ortsauflösung der TERS-Methode. Bisherige theoretische Modelle zur Berechnung der räumlichen Auflösung gingen von einer glatten Oberfläche (rechte Bildhälfte) aus. Quelle: Leibniz-IPHT/S. Trautmann

Atomare Substrukturen auf der Oberfläche metallischer Nanopartikel (linke Bildhälfte) ermöglichen die extrem hohe Ortsauflösung der TERS-Methode. Bisherige theoretische Modelle zur Berechnung der räumlichen Auflösung gingen von einer glatten Oberfläche (rechte Bildhälfte) aus. Quelle: Leibniz-IPHT/S. Trautmann