Mikroskopie auf einen atomaren Punkt gebracht
Die Quantenpunkt-Kontakt-Mikroskopie bildet Oberflächen mit atomarer Auflösung ab
Oberflächen von Metallen und möglicherweise auch von Keramiken oder anderen Festkörpern lassen sich nun besonders scharf und detailreich abbilden. Physiker des Max-Planck-Instituts tasten eine Probe ab, indem sie mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops über sie ziehen. Dieser Kontakt besteht aus einem Adatom, einem auf der Oberfläche liegenden Atom. So erhalten sie Bilder, auf denen die atomare Struktur besser zu erkennen ist als auf gewöhnlichen Aufnahmen mit einem Rastertunnelmikroskop. Weil die Spitze des Mikroskops dabei die Oberfläche über das Adatom berührt und zudem dessen Quanteneigenschaften zum Tragen kommen, sprechen die Forscher von Quantenpunkt-Kontakt-Mikroskopie, kurz QPCM. Damit haben sie erstmals direkt die Struktur eines ungewöhnlichen Ordnungseffektes auf einer Goldoberfläche abgebildet. Außerdem haben die Wissenschaftler Hinweise gefunden, dass sie mit der Methode bestimmen können, zu welchem chemischen Element die ertasteten Atome gehören.
Ein neuer Fühler für die atomare Struktur: Mit einem einzelnen Atom als Kontakt, der durch die säulenartige Struktur in der Bildmitte angedeutet wird, tasten Physiker des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung über eine Goldoberfläche. Das Kontaktatom ziehen sie mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops (Kugelausschnitt in der oberen Bildhälfte) über die Probe. Diese Quantenpunkt-Kontakt-Mikroskopie liefert eine atomar aufgelöste Aufnahme, wie sie hier als schmales Band einem herkömmlichen Rastertunnel-Bild überlagert ist.
© Peter Wahl / MPI für Festkörperforschung
Wie Oberflächen im Detail aussehen, interessiert Physiker, Chemiker, Materialwissenschaftler und Ingenieure gleichermaßen – wenn vielleicht auch aus unterschiedlichen Gründen. Physiker haben es oft auf elektronische Phänomene abgesehen, Chemiker wollen wissen, wie chemische Reaktionen an Oberflächen ablaufen, Materialwissenschaftler wollen häufig wissen, wie ordentlich eine Oberfläche strukturiert ist, um etwa die Entstehung von Rissen zu verstehen. Ingenieure schließlich nutzen diese Erkenntnisse für elektronische Bauteile, Motoren, chemische Reaktoren und zahllose andere Anwendungen.
Eine neue, besonders klare Sicht auf Oberflächen ermöglichen Physiker des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung jetzt mit der Quantenpunkt-Kontakt-Mikroskopie (QPCM). Sie tasten eine Probe mit einem einzelnen Atom ab, indem sie es mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM) über die Oberfläche ziehen. Getestet haben sie die Feinfühligkeit des atomaren Fingers bislang an Metallen wie Kupfer, Silber, Gold und Platin, die sehr regelmäßige Kristallgitter bilden.
„Das Adatom springt dabei von einem Gitterplatz zum nächsten“, erklärt Peter Wahl, der die Methode gemeinsam mit Yong-hui Zhang und Klaus Kern entwickelt hat. Wie seine Umgebung beschaffen ist, fühlt das Kontaktatom, weil zwischen Mikroskopspitze und Probe eine Spannung anliegt und ein Strom fließt. Wie viel Strom fließt, hängt von der Leitfähigkeit direkt unter dem Adatom ab. Dort etwa wo die Atome des metallischen Kristalls sitzen, ist sie niedriger als in den Räumen dazwischen.
Anhand eines elektrischen Stromflusses, genauer gesagt anhand des quantenmechanischen Tunnelstroms, ermittelt zwar auch ein Rastertunnelmikroskop im normalen Betriebsmodus, wie die Oberfläche strukturiert ist. „Die Quantenpunkt-Kontakt-Mikroskopie liefert allerdings mehr Details und schärfere Bilder, weil sie ein einzelnes Atom nutzt, das die Oberfläche berührt“, sagt Peter Wahl. Das Atom registriert so nämlich nur, wie die Probe direkt unter ihm beschaffen ist. Der RTM-Spitze, die im besten Fall auch in einem einzelnen Atom ausläuft, fehlt dieser unmittelbare Kontakt im normalen Betriebsmodus, wodurch ihre Sicht leicht getrübt wird. Direkt mit der Spitze über die Probenoberfläche zu fahren, hilft wiederum kaum, weil dann meistens nicht klar ist, ob sie die Probe nur mit dem äußersten Atom berührt oder ob die Kontaktfläche größer ist. „Das erschwert die Interpretation der Messung“, so Peter Wahl. Außerdem kann die Spitze weiche Proben verändern, was eine Messung wertlos macht.
Zwei Oberflächenstrukturen von Gold erstmals direkt abgebildet
Damit sich das Adatom mit der RTM-Spitze über die Probe führen lässt, muss die Mikroskop-Spitze symmetrisch geformt und ausgesprochen stabil sein. Also präparieren die Forscher die Spitze so lange, bis sie die nötige Stabilität hat. Auf einem herkömmlichen RTM-Bild suchen die Physiker dann ein auf der Oberfläche liegendes Atom und setzen die Mikroskopspitze auf ihm ab. Dass sie es erwischt haben, erkennen sie anhand der gemessenen Leitfähigkeit. Die entspricht bei vollem Kontakt zwischen Spitze, Adatom und Probe nämlich etwa einem Leitwertquantum, der Leitfähigkeit, die ein einzelnes Atom höchstens ermöglicht. Besteht der Kontakt aus mehr als einem Atom, messen die Forscher eine höhere Leitfähigkeit.
Wenn das Kontaktatom nun die Oberfläche abtastet, ändert sich die gemessene Leitfähigkeit abhängig von der genauen Position des Atoms zwischen Probe und Spitze sowie seiner Umgebung. Die Veränderung lässt daher auf die räumliche Struktur der obersten Atomlage der Probe schließen. Wieviel Strom durch das Atom fließt, hängt aber auch davon ab, ob in der zweiten Atomlage unter der Oberfläche ebenfalls ein Atom sitzt oder ob sich dort eine Lücke befindet. Daraus wiederum lässt sich auf die Kristallstruktur direkt an der Oberfläche schließen.
Wie hilfreich letzteres sein kann, haben die Stuttgarter Physiker umgehend bewiesen. Nicht immer nämlich entspricht die Struktur an der Oberfläche der Probe der Kristallstruktur in ihrem Inneren. Eine Goldoberfläche ist dafür ein gutes Beispiel. In ihr wechseln sich in einem Fischgrät-Muster zwei verschiedene Kristallstrukturen ab. „Das war zwar bereits bekannt und es gab auch überzeugende experimentelle Belege, aber nur indirekte“, sagt Peter Wahl: „Wir haben die beiden Strukturen nun erstmals direkt abgebildet.“
Ein Gefühl für die Chemie der Oberfläche
Noch eine weitere Information hoffen die Forscher Probenoberflächen künftig mit der QPCM entlocken zu können. Die gemessene Leitfähigkeit hängt nämlich auch von der chemischen Natur des kontaktierten Atoms ab. „Ein Experiment mit Eisenatomen auf einer Platinoberfläche hat uns erste Hinweise gegeben, dass wir aus Änderungen der Leitfähigkeit schließen können, welche Atome wir ertasten“, sagt Wahl. Um diesen Effekt praktisch ausnutzen zu können, müssen die Physiker den Zusammenhang zwischen der chemischen Beschaffenheit und der Leitfähigkeit aber zunächst noch besser verstehen.
Leichter würde eine chemische Oberflächenanalyse zudem, wenn die Physiker ihren mikroskopischen Finger auf die einzelnen Atome legen könnten. „Dazu möchten wir die Oberfläche mit Molekülen wie Kohlenmonoxid abtasten“, sagt Peter Wahl. Das Adatom, mit dem er und seine Kollegen derzeit über die oberste Atomlage fahren, hüpft nämlich immer in die Mulden zwischen benachbarten Atomen. So lässt sich zwar die Form des Gitters präzise abbilden, gibt aber nur vage Fingerzeige auf die chemische Natur der Gitteratome.
Lässt sich die QPCM auch dafür sensibilisieren, könnte sie zu einer Alternative für Analysemethoden werden, die wie die energiedispersive Elektronenmikroskopie heute schon die atomare Struktur von Oberflächen abbilden und dabei auch chemische Informationen liefern. Wie gut sich die QPCM dafür eignet, wollen Peter Wahl und seine Kollegen in einem ihrer nächsten Projekte prüfen, indem sie nicht homogene Metalloberflächen abtasten, sondern Materialien mit einer Schichtstruktur unterschiedlicher Elemente.
Forscher erwarten neue Erkenntnisse für die Elektronik der Zukunft
Doch nicht nur die chemischen Eigenschaften einer Probe können die Physiker mit einem Quantenpunkt-Kontakt-Mikroskop in den Blick nehmen, es könnte ihnen auch zu neuen physikalischen Einsichten verhelfen – etwa in den Quantentransport durch ein Atom zwischen RTM-Spitze und Probe. Der wird nicht nur davon beeinflusst, welche Atome das Kontaktatom berührt, sondern zum Beispiel auch dadurch, dass die Strom transportierenden Ladungsträger in den Elektroden gestreut werden. Diese Effekte wollen die Forscher mit Hilfe der Kombination von Raster-Tunnel und Quantenpunkt-Kontakt-Mikroskopie untersuchen.
Erkenntnisse, wie sich die elektronischen Zustände der Probenatome auf den Quantentransport auswirkt, könnten sich wiederum für Elektronik der Zukunft ausnutzen lassen. Ein einzelnes Molekül zwischen der RTM-Spitze und der Probe wird nämlich auch zum Testfall etwa für denkbar kleine Transistoren. Molekulare elektronische Bauteile würden auf Mikrochips eine wesentlich höhere Datendichte ermöglichen. Damit es dazu kommt, müssen Chemiker und Physiker zum einen geeignete Moleküle identifizieren, zum anderen müssen sie die Teilchen in geeigneter Weise kontaktieren. Wie das am besten geht, können Forscher mit der QPCM gut untersuchen.
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