Atombindungen mit AFM erstmals präzise abgebildet
Bisher unerreichte Auflösung eines Rasterkraftmikroskops ermöglicht Erforschung neuartiger Bauelemente auf atomarer und molekularer Skala.
IBM-Forscher um Gerhard Meyer konnten in den letzten Jahren bereits die chemische Struktur einzelner Moleküle mit dem AFM auflösen und die Ladungsverteilung innerhalb eines Moleküls abbilden. Nun jedoch können sie selbst die feinen Unterschiede in der Bindungsordnung und Länge einzelner chemischer Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in einem C60-Molekül mit dem AFM auflösen. Zudem haben die Forscher ihre Technik an zwei weiteren PAH-Molekülen demonstriert, die Flocken von Graphen ähneln. Diese wurden vom Centro de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CIQUS) der Universität von Santiago de Compostela und dem Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Toulouse synthetisiert. Die einzelnen Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in diesen Molekülen unterscheiden sich geringfügig in ihrer Länge und Stärke. Diese subtilen Unterschiede sind ausschlaggebend für die chemischen, elektrischen und optischen Eigenschaften der Moleküle.
Abb.: Ein Modell von Hexabenzocoronen (A), verglichen mit AFM-Messungen bei einer Höhe von 3,7 A (B) und 3,5 A (C). Feld (D) zeigt die berechnete Elektronendichte 2,5 A oberhalb der molekularen Ebene. Die Messungen zeigen deutlich die unterschiedlichen Längen und Helligekeiten der i- und j-Bindungen. (Bild: Gross et al. / AAAS)
Die nun gezeigte Fähigkeit, diese feinen Unterschiede mit dem AFM aufzuspüren und direkt nachzuweisen, liefert neue Einblicke in das Bindungsverhalten von Molekülen auf atomarer Skala. Für die Entwicklung von maßgeschneiderten Elektronikbauteilen auf der Nanoskala ist dieses Wissen essentiell. So könnte man mit dieser Methode untersuchen, wie sich Bindungen in Graphen entlang von Defekten verhalten, oder wie sich Bindungen in Molekülen durch chemische Reaktionen oder in angeregten Zuständen des Moleküls verändern.
Wie bereits in früheren Forschungsarbeiten nutzte das IBM Team ein AFM mit einer Spitze, die in ein einzelnes Kohlenstoffmonoxid-Molekül gipfelt. Diese Spitze, die auf einem schwingenden Federbalken angebracht ist, wird sehr nah an die Probe herangeführt und misst Punkt für Punkt die zwischen Probe und Spitze auftretenden Kräfte. Die vielen einzelnen Messpunkte ergeben so eine Abbildung der Probe. Das CO-Molekül dient dabei als „Vergrößerungsglas“, das die Auflösung des AFMs erhöht.
„Wie wir herausgefunden haben, sind zwei Kontrastmechanismen relevant, um die Bindungen mit dem AFM aufzulösen. Der erste basiert auf kleinen Unterschieden in der Kraft, die über den Bindungen gemessen wird. Diese Art von Kontrast hatten wir erwartet, aber es war eine Herausforderung, ihn sichtbar zu machen“, erklärt IBM-Forscher Leo Gross. „Der zweite Kontrastmechanismus war dagegen eine Überraschung. Wir stellten fest, dass sogar die unterschiedlichen Längen der Bindungen in den AFM-Messungen detektiert wurden. Berechnungen ergaben, dass ein seitliches Schwenken des CO-Moleküls an der Spitze der Grund für diesen Kontrast ist.“
Damit waren die Forscher in der Lage, Längenunterschiede in den Bindungen von nur drei Pikometer zu messen, das Hundertstel des Atomdurchmessers. Um diese bisher unerreichte Sensitivität zu erzielen, mussten sie Moleküle wählen, bei denen keine störenden Hintergrundeffekte auftreten. Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen untermauern die experimentellen Resultate. Diese lieferten auch Erkenntnisse über das Schwenken des CO-Moleküls an der AFM-Spitze, das das sehr scharfe Bild der Bindungen erzeugt.
IBM / OD
