Atome einfach abgetastet – Neue Technik liefert Oberflächen-Schnappschüsse mit atomarer Auflösung

Forscher der Universität Regensburg haben eine neue Methode entwickelt, die es erlaubt, Oberflächen ohne komplizierte und zeitraubende Präparation mit höchster Schärfe abzubilden. Ihnen gelang es, Salzoberflächen mit atomarer Auflösung darzustellen. Das Forscherteam um Prof. Dr. Franz J. Giessibl, Daniel S. Wastl und Dr. Alfred J. Weymouth vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik berichtet in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review B“, dass sie mit ihrer Methode erstmals auch Oberflächen unter Umgebungsbedingungen atomar auflösen konnten (DOI: 10.1103/PhysRevB.87.245415). Ein Bild sagt häufig mehr als tausend Worte – dies gilt ebenfalls in der Medizin, der Biologie, der Chemie, der Physik oder in den Materialwissenschaften. Hier sind es vor allen Dingen Schnappschüsse im Nanobereich, die für Wissenschaft und Industrie von großem Interesse sind. Für möglichst exakte Darstellungen musste man allerdings bislang auf aufwändige Vakuumanlagen oder zumindest auf eine künstlich kontrollierte Umgebung – etwa über das Eintauchen der Probe in bestimmte Flüssigkeitslösungen – zurückgreifen. Zur Entwicklung ihres neuen Verfahrens fanden die Regensburger Forscher Wege, um die grundlegenden Störeinflüsse in der Rasterkraftmikroskopie zu unterdrücken. Die Rasterkraftmikroskopie erlaubt auch Abbildungen von Oberflächen unter Umgebungsbedingungen, aber die Ortsauflösung erreichte bisher noch nicht einzelne Atome. Sie erzeugt eine Darstellung von Oberflächen, die im Idealfall jedes einzelne Atom als Hügel anzeigt. Dies geschieht allerdings nicht optisch wie bei einem Lichtmikroskop, sondern durch mechanisches Abtasten – ähnlich dem Lesen von Blindenschrift. Das Regensburger Forscherteam nutzt dafür eine spezielle Abtastspitze, eine „atomar-scharfe“ Metallspitze, die sich auf einem Schwingungsbalken aus Quarz befindet (Abbildung 1). Der Quarzbalken verändert seine Schwingungsfrequenz unter dem Einfluss der verschiedenen Kräfte, die auf die Abtastspitze einwirken. Auf diese Weise sind die Forscher nun in der Lage, beispielsweise einen Kaliumbromidkristall atomar aufgelöst abzubilden (Abbildung 2). Finanziert wird das Projekt unter anderem durch das an der Universität Regensburg angesiedelte Graduiertenkolleg 1570 „Elektronische Eigenschaften von Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis“ (www.physik.uni-regensburg.de/forschung/gk_carbonano/) und den Regensburger Sonderforschungsbereich 689 „Spinphänomene in reduzierten Dimensionen“ (http://www-app.uni-regensburg.de/Fakultaeten/Physik/sfb689/). Originaltitel der Publikation: “Optimizing Atomic Resolution of Force Microscopy in Ambient Conditions”, in “Physical Review B”, Volume 87, Artikel 245415 (2013). Die Publikation im Internet unter: http://prb.aps.org/abstract/PRB/v87/i24/e245415