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Die Rolle von Sonde und Probe einfach umgedreht
In der Rasterkraftmikroskopie werden die zu
untersuchenden Proben mit einer sehr feinen Spitze mechanisch
abgetastet. Aus der räumlichen Variation der Kräfte zwischen Probe und
Spitze wird das Mikroskopiebild gewonnen. Um die bestmögliche
Auflösung zu erhalten, war es für die Forscher wichtig, als atomare
Sonde ein sehr kleines, leichtes Atom zu verwenden. Kohlenstoffatome
in Graphitkristallen sind hierfür hervorragende Kandidataten. Da
Graphitkristalle eben sind, drehten die Wissenschaftler die Rolle von
Sonde und Probe einfach um: das aus einer scharfen Wolframspitze
herausragende letzte Atom wird von einem leichten Kohlenstoffatom des
Graphits abgebildet. Dieser Fortschritt wurde durch mehrere
Innovationen ermöglicht:
Auswertung der Oberschwingungen
Die zwischen der Spitze und der Probe wirkende
Kraft wurde bislang entweder durch die statische Durchbiegung eines
die Spitze tragenden Federbalkens oder durch die Frequenzänderung
eines schwingenden Federbalkens (in Abbildung 2 oben) gemessen.
Eigentlich interessiert man sich aber nicht für die gesamte zwischen
Spitze und Probe wirkende Kraft, sondern nur für den Anteil zwischen
dem Atom, das aus der Spitze am weitesten hervorsteht (Frontatom) und
dem ihm nächsten Probenatom. Ein zentrales Problem der
Kraftmikroskopie ist das Herauslösen des Frontatom-Beitrags. Anstatt
einer statischen Durchbiegung oder einer Frequenzänderung werden in
diesem Experiment Oberschwingungen des Federbalkens ausgewertet, die
durch die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe entstehen. Diese
Oberschwingungen reagieren auf die kurzreichweitigen inneratomaren
Kräfte wesentlich empfindlicher als die statische Durchbiegung des
Balkens oder seine Frequenzänderung.
5 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt im
Ultrahochvakuum
Das Experiment wurde in einem neuartigen Mikroskop
(Abbildung 3) durchgeführt, das auf eine Temperatur von nur 5 Grad
über dem absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt ist. Außerdem
arbeitet das Instrument im Ultrahochvakuum mit einem Druck von etwa
1x10^-13 einer Atmosphäre. Das Mikroskop ist auf ein 30 t schweres
Fundament gebaut und von externen Störungen wie etwa Schall und
elektromagnetischen Störfeldern durch eine metallische
Schallschutzkammer isoliert. Der Aufbau dieses Mikroskops am Institut
für Physik der Universität Augsburg wurde durch ein langfristiges
gemeinsames Forschungsprojekt (EKM) des Freistaats Bayern und des
Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit einer
Projektbetreuung durch das VDI gefördert.
Auflösung gegenüber dem Jahr 2000 verdreifacht
Bereits im Jahr 2000 fand die Forschergruppe
Strukturen innerhalb einzelner Atome - siehe Giessibl, Hembacher,
Bielefeldt, Mannhart, "Subatomic Features on the Silicon (111)-(7x7)
Surface Observed by Atomic Force Microscopy", Science 289, 422, 2000.
Die damaligen Ergebnisse wurden auf Silizium erzielt, einem Material
das ausgeprägte kovalente Bindungen zeigt, mit einem großen Abstand
der beiden Ladungskeulen von etwa 230 pm. Im neuen Experiment ist die
räumliche Auflösung verdreifacht, zudem wurde der kovalente
Bindungscharakter erstmals in einem Metall abgebildet.
Verbesserungen der Mikroskopie waren in vielen
Fällen die Grundlage für wesentliche Fortschritte in den
Naturwissenschaften. Es wird erwartet, dass auch diese
Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie von großem Nutzen für die
Nanotechnologie sein wird. |
