Elektronenmikroskop identifiziert einzelne Atome

Neue Rastersondenmethode analysiert Struktur, Anordnung einzelner Atome und Verunreinigungen einer Bornitrid-Schicht.

Rastersondenverfahren sind die Schlüsselwerkzeuge für die Nanotechnologie. Einem Team aus britischen und amerikanischen Forschern ist es nun gelungen, das Leistungsspektrum eines Scanning Transmission Electron Microscope (STEM, übersetzt: Raster-Transmissionselektronenmikroskop) signifikant zu erweitern. Mit dem neuen Gerät konnten sie nicht nur die Struktur einer Monolage Bornitrid exakt beobachten, sondern zugleich auch jedes einzelne Atom identifizieren. 

Abb.: Unter dem neuen Scanning Transmission Electron Mikroskop wird die Bornitrid-Monolage mit Bor- (rot) und Stickstoffatomen (grün) sowie Verunreinigungen aus Kohlenstoff (gelb) und Sauerstoff (blau) sichtbar. (Bild: Nion, ORNL, Vanderbilt U)

"Weder mit der Elektronenmikroskopie noch mit anderen experimentellen Techniken war es bisher möglich, alle Atome in einem nicht-periodischen Material aufzulösen und zu identifizieren", berichten Ondrej L. Krivanek von dem Unternehmen Nion in Kirkland und seine Kollegen von den Universitäten in Vanderbuilt und Oxford sowie vom Oak Ridge National Laboratory. Genau diese Hürde konnten sie nun mit einem modifizierten Rastertransmissiones-Elektronenmikroskop nehmen. Sowohl ein optischer Korrektor zur Vermeidung von Abbildungsfehlern (Aberration) als auch die Fokussierung auf bestimmte von der Probe zurück gestreute Elektronen machten den Erfolg möglich.

Um in der einlagigen Bornitrid-Schicht alle Atome einzeln zu identifizieren, legten die Wissenschaftler mit 60 Kilovolt eine relativ geringe Primärspannung am Mikroskop an. Zerstörungsfrei konnten so die Elektronen die Probe Stück für Stück abtasten. Über die so genannte Annulare Dunkelfeld-Methode (ADF) detektierten sie die Elektronen, deren Flugbahn über die Rutherfordstreuung von den positiven Atomkernen im Bornitrid-Film abgelenkt wurde. Für jedes Element zeigt sich ein charakteristisches, von der Atomzahl abhängiges Streuverhalten, so dass die Atome einzeln identifiziert werden konnten.

Diese Analysen funktionierten so exakt, dass die Wissenschaftler sogar einzelne Störatome (Sauerstoff, Kohlenstoff) in der Bornitrid-Schicht beobachten konnten. Die räumliche Auflösung lag dabei bei mindestens einem Hundertstel Nanometer. Mit diesen Eigenschaften hebt sich das neue STEM von anderen Analyseverfahren ab. Denn die atomgenaue Identifikation mit Hilfe der Elektron-Energieverlust-Spektroskopie (EELS) war wegen schwacher Streusignale auf schwere Atome begrenzt.

Nanowissenschaftler werden dieses Werkzeug dankbar nutzen, um die Qualität und die Eigenschaften ihrer winzigen Forschungsobjekte - vom effizienten Katalysator bis zum Nanomolekül mit neuen Eigenschaften - besser untersuchen zu können. Parallel steigern Forscher auch die Leistungsfähigkeit von Rasterkraftmikroskopen. So gelang es vergangenes Jahr einer Züricher Arbeitsgruppe, einzelne Atome in einem absorbierten Molekül aufzulösen. Abgeschirmt von äußeren Störeffekten konnte Position und Struktur eines Pentazen-Molekül, das aus fünf Kohlenstoffringen aufgebaut ist, auf einer hochreinen Oberfläche auf den Zehntel Nanometer genau bestimmt werden. Die gleiche Methode eignet sich zudem, um die elektrische Ladung einzelner Ionen zu messen.

Jan Oliver Löfken

Weiterführende Literatur:

• L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth, and G. Meyer: The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy. Science 325, 5944, 1110-1114 (2009)
• Muller, D. A. et al.: Atomic-scale chemical imaging of composition and bonding by aberration-corrected microscopy. Science 319, 1073-1076 (2008)
• Batson, P. E., Dellby, N. & Krivanek, O. L.: Sub-angstrom resolution using aberration corrected electron optics. Nature 418, 617-620 (2002)

AL