Beobachtung der Schwingungen von Atomen im Angström-Maßstab

12.02.2026

Quantenmechanische Berechnungen ermöglichen die präzise Berechnung von korrekten TERS-Bildern

Die Untersuchung der Schwingungen von Atomen liefert detaillierte Informationen über die lokale Struktur und die Bindungen, die die Materialeigenschaften bestimmen. Die „tip-enhanced Raman spectroscopy“ (TERS) bietet eine extrem hohe Auflösung, um solche Schwingungen zu untersuchen. Krystof Brezina und Mariana Rossi vom MPI für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) sowie Yair Litman vom MPI für Polymerforschung (MPIP) haben gezeigt, dass realistische, quantenmechanische Simulationen für die Interpretation von TERS-Bildern von Molekülen und Materialien auf Oberflächen unerlässlich sind. Ihr Ansatz zeigt, wie Wechselwirkungen mit metallischen Substraten die Schwingungsbildgebung im Nanobereich verändern. Die Arbeit wurde nun in ACS Nano veröffentlicht.

Im Nanobereich schwingen alle Atome. Diese Schwingungen bestimmen die Wärmeableitung, chemische Reaktionen und Materialeigenschaften. Die verschiedenen Arten, wie Atome schwingen können, werden durch die lokale chemische Bindung und ihre Umgebung bestimmt und liefern somit wertvolle Informationen über die Eigenschaften und die Zusammensetzung von Materie. Im Labor können sie indirekt mit Hilfe von Spektroskopieverfahren wie der Raman-Streuung untersucht werden. Herkömmliche Messungen mitteln über viele Atome und sind daher in ihrer räumlichen Auflösung begrenzt. Die tip-enhanced Raman-Spektroskopie überwindet diese Einschränkung, indem sie Laserlicht mit einer scharfen Metallspitze kombiniert, die das elektromagnetische Feld auf ein winziges Volumen konzentriert und so eine Auflösung bis hinunter zur Ångström-Skala (10^-10m) ermöglicht. Dadurch ist es möglich, Schwingungsbewegungen sogar bis hinunter zu einzelnen Molekülen oder Defekten in metallischen Oberflächen abzubilden. Die Interpretation solch hochdetaillierter Bilder erfordert jedoch zuverlässige theoretische Modelle, die die gemessenen Signale mit Bewegungen im atomaren Maßstab in Verbindung bringen können.

Experimentierende haben Schwierigkeiten, verschiedene Umweltfaktoren, die TERS-Signale beeinflussen, voneinander zu trennen, was es schwieriger macht, die Signaturen einzelner atomarer Bewegungen zu verstehen. Hier kommen nun Simulationen zum Einsatz. Diese neue Studie schlägt eine Berechnungsmethode vor, die eine effiziente Simulation von TERS-Signalen realistisch dimensionierter Systeme mit Hunderten von Atomen ermöglicht und sich dabei ausschließlich auf die grundlegendsten Gesetze der Quantenmechanik stützt. Die Studie zeigt außerdem, dass gängige Vereinfachungen, die bisher in der theoretischen Modellierung vorgenommen wurden, wie die Behandlung von Molekülen als isolierte Systeme oder die Annäherung von Oberflächen anhand kleiner Cluster, problematisch sein können.

Die Simulationen zeigen eindeutig, dass TERS äußerst empfindlich auf die Symmetrie lokaler Umgebungen reagiert und beispielsweise die Identifizierung lokaler Defekte in 2D-Materialien ermöglicht. Sie zeigen auch, dass die elektronische Abschirmung der Metalloberfläche die Bilder von Molekülschwingungen, die eine Bewegung senkrecht zur Trägeroberfläche beinhalten, dramatisch verändert, während Schwingungen, die auf die Molekülebene beschränkt sind, weitaus weniger beeinflusst werden.

„TERS-Bilder werden oft als direkte Abbildungen der atomaren Bewegung interpretiert“, erklärt Mariana Rossi. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die elektronische Reaktion der Oberfläche das Signal dominieren und die Bedeutung dieser Bilder grundlegend verändern kann.“ Krystof Brezina fügt hinzu: „Eine neue physikalische Erkenntnis aus unserer Arbeit ist, dass räumlich nicht-lokale Wechselwirkungen zwischen Atomen die TERS-Signale an einem bestimmten Punkt im Raum stark beeinflussen können, was bedeutet, dass die hellsten Bereiche nicht unbedingt den größten atomaren Verschiebungen entsprechen.“

Indem er realistische und prädiktive Simulationen ermöglicht, verbessert diese neue Methode die Qualität von TERS-Bildern als nanoskalige Sonde. Die genaue Modellierung von TERS mit solchen Methoden wird in verschiedenen aufstrebenden Forschungsbereichen der Oberflächenwissenschaft von entscheidender Bedeutung sein, darunter Genomsequenzierung, Materialcharakterisierung, Design von Geräten im Molekülmaßstab und operando-Überwachung von oberflächenkatalysierten Reaktionen für die Erzeugung grüner Energie.