Atomgenaue Analyse

Die schwingende Spitze eines Rasterkraftmikroskops eignet sich als chemisches Analysewerkzeug, um einzelne Atome zu identifizieren.

Osaka (Japan)/Madrid (Spanien) – Für Nanoforscher gehört das Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) zu den wichtigsten Werkzeugen überhaupt, um z. B. dreidimensionale Bilder von leitfähigen und isolierenden Nanostrukturen mit atomarer Auflösung zu gewinnen. Ein Team aus japanischen, spanischen und tschechischen Physikern erweitert nun das Leistungsspektrum dieser Instrumente. Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, konnten sie einzelne Atome chemisch exakt bestimmen.

„Mit der Identifizierung von Atomen auf einer Oberfläche könnten die heute schon herausragenden Möglichkeiten von Rasterkraftmikroskopen vervielfacht werden“, sagt Óscar Custance von der Universität in Osaka. Zusammen mit Kollegen der Universidad Autónoma de Madrid und der tschechischen Akademie der Wissenschaften nutzte der Forscher die atomaren Kräfte, die zwischen der Mikroskopspitze und einzelnen Atomen auf der Oberfläche wirken. Diese verändern das Schwingungsverhalten der Spitze. Durch zahlreiche vergleichende Messungen und mit Eichkurven können diese Variationen nicht nur die Position eines Atoms, sondern auch seine chemische Identität offenbaren. In Testmessungen konnten die Wissenschaftler unregelmäßig verteilte Zinn-, Blei- und Siliziumatome voneinander unterscheiden.

Abb.: Die Spitze des Rasterkraftmikroskops schwingt im so genannten „Dynamic Mode“ auf und ab. Dabei detektiert sie die chemische Bindung zwischen dem äußersten Atom der Mikroskopspitze und einem Atom der Proben-Oberfläche (grün dargestellt). (Quelle: O. Custance)

In Abständen von wenigen Zehnteln Nanometer wirken zwischen Mikroskopspitze und Atom einer Probe Kräfte im Nanonewton-Bereich. Dadurch ändern sich die Resonanzfrequenzen, mit denen die vibrierenden Spitzen schwingen. Aus diesen Daten kann bisher die Position eines Atoms genau bestimmt werden. Aber eine Identifizierung war nicht möglich, da die Werte mit jedem Wechsel einer Mikroskopspitze schwankten. Doch Custance und Kollegen wiederholten nun ihre Messungen viele Male. Sie stellten damit Eichkurven auf und erkannten, dass die wirkenden Kräfte beispielsweise bei Siliziumatomen immer die größten Werte lieferten. Kombiniert mit theoretischen Modellen setzten sie die gemessenen Maximalwerte mit anderen Messwerten in Beziehung. Diese relativen Änderungen der Kräfte zeigten sich abhängig von den anvisierten Elementen und konnten daher zur Bestimmung einzelner Atome herangezogen werden.

„Diese Arbeit zeigt, dass ein statistische Ansatz für die Kraftmessung die lokale Zusammensetzung und die Struktur einer halbleitenden Oberfläche auf atomarer Ebene liefern kann“, schreiben Alexander Shluger und Tom Trevethan vom University College London in einem begleitenden Kommentar. Da diese Methode sowohl bei großer Kälte als auch bei Raumtemperatur funktioniert, könnte der Einsatz von Atomkraftmikroskopen für die Nanowissenschaften noch wichtiger werden als bisher.

Aktuell schaffte es die Gruppe um Custance sogar, zusätzlich zur chemischen Identifizierung die einzelnen Atome mit einer AFM-Spitze zu verschieben. Damit rückt das Ziel, beliebig gestaltete Nanomodule Atom für Atom kontrolliert zusammenzusetzen, ein großes Stück näher. Diese Möglichkeit ist beispielsweise für den Aufbau von extrem kleinen, nanostrukturierten Schaltkreise und Transistoren von großer Bedeutung.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Y. Sugimoto et al., Chemical identification of individual surface atoms by atomic force microscopy, Nature 446, 64 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05530
• Kommentar:
  A. Shluger und T. Trevethan, Atomic fingerprinting, Nature 446, 34 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/446034b
• Osaka Universität, Japan:
  http://www.osaka-u.ac.jp/eng/
• Universidad Autónoma de Madrid:
  http://www.uam.es
• Departomento de Fisica Teórica de la Materia Condensada:
  http://www.uam.es/departamentos/ciencias/fisicateoricamateria/default.html
• Tschechische Akademie der Wissenschaften:
  http://www.fzu.cz