Wie DVDs ticken - PhysikerInnen der Uni Graz gelang erstmals Einblick in die Oberfläche von Gläsern

Ein Beispiel der Totalreflektion, die beim Übergang von einem dichten zu einem optisch dünneren Medium auftritt. ForscherInnen der Uni Graz nutzen diesen Effekt, um ungeordnete Oberflächen erstmals atomar darzustellen. Bild: Mila Zinkova

DVDs werden millionenfach produziert, bis vor kurzem waren die chemisch-physikalischen Schreibprozesse dahinter allerdings ein Rätsel. Einem internationalen ForscherInnen-Team rund um „Famelab“-Gewinner Dr. Wolfram Steurer gelang nun an der Uni Graz mittels Röntgenstrahlung der Durchbruch. Die WissenschafterInnen fanden einen Weg, wie Oberflächen mit ungeordneter Struktur atomar, also im Nanometerbereich, abgebildet werden können, was bislang nicht möglich war.

Damit stehen der Wissenschaft neue Methoden zur Verfügung, Oberflächen wie jene einer DVD im Detail zu untersuchen und somit das gesamte Produkt technisch zu verbessern. Die zukunftsweisenden Ergebnisse wurden kürzlich im Forschungsmagazin „Nature Communications“ veröffentlicht.

Nach den Gesetzen der Physik werden Oberflächen grob in zwei Kategorien unterteilt: in geordnete und ungeordnete. Geordnete Oberflächen, wie zum Beispiel die von Kristallen, können dank der periodischen Anordnung ihrer Atome extrem präzise abgebildet werden. „Im Gegensatz dazu sind ungeordnete Oberflächen ein nahezu unbeschriebenes Blatt“, erklärt Steurer. PhysikerInnen der Uni Graz haben dieses Geheimnis jetzt gelüftet: Mittels gestreuter Röntgenstrahlen, die unter einem sehr flachen Winkel auf die Oberfläche auftreffen, gelangen ihnen zum ersten Mal experimentelle Einblicke in die Anordnung der chemischen Bindungen an der Oberfläche eines Selen-Glases. „Selen gehört zur Klasse der chalkogeniden Materialien, deren ganz besondere Eigenschaften bei optischen Speichermedien wie DVDs angewandt werden“, informiert der Physiker.

Steurers Team machte sich bei seinen Untersuchungen einen Effekt der Röntgenstrahlung, die Totalreflektion, zunutze. Der Forscher erklärt: „Wer schon mal Fische in einem Aquarium beobachtet und schräg von unten gegen die Wasseroberfläche geschaut hat, sieht dort die Spiegelung des Aquariumbodens. Diese Totalreflektion tritt beim Übergang von einem dichteren Medium, wie etwa Wasser, zu einem optisch dünneren Medium, zum Beispiel Luft, auf.“ Bei Röntgenstrahlen gibt es den Effekt auch, nur dass er dort beim Übergang vom dünneren ins dichtere Medium stattfindet. Bei ihren Forschungen leiteten die WissenschafterInnen in einem ersten Schritt Röntgenstrahlen unter einem sehr flachen Einfallswinkel auf eine ungeordnete Oberfläche. „Diese Strahlen werden so vollständig reflektiert, im Gegensatz zu sichtbarem Licht“, erklärt Steurer. Bei der Kollision mit der Oberfläche können die auftreffenden Lichtteilchen Atome zu Schwingungen anregen und so Energie abgeben oder die Energie von bereits vibrierenden Atomen aufnehmen. Die Energieverteilung der gestreuten Lichtteilchen wird im Anschluss gemessen und spiegelt die Dynamik der Oberfläche wieder. In einem zweiten Schritt wird das experimentell aufgenommene Schwingungsspektrum analysiert und mit Modellrechnungen verglichen. Das so erworbene Wissen spielt auch eine wichtige Rolle in den Nanotechnologien und der Katalysatorforschung.

Quelle: Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz