Kraftmikroskop misst direkt Ladung von einzelnen Atomen

Rüschlikon (Schweiz) – Mit den Spitzen der Rasterkraftmikroskope dringen Physiker immer näher in die Nanowelt vor. Sie können einzelne Atome gezielt verschieben und die winzigen Kräfte zwischen Atomen messen. Ein Team aus schweizerischen, deutschen und niederländischen Forschern konnte nun das Anwendungsfeld dieser Instrumente erweitern. Ohne direkten Kontakt bestimmten sie den Ladungszustand einzelner Gold- und Silberatome auf einer isolierenden Oberfläche. Ihre Messmethode, die zur Entwicklung molekularer Schaltkreise, besseren Katalysatoren und Solarzellen führen könnte, präsentieren die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Science".

"Wenn ein Goldatom mit einem Elektron elektrisch geladen wird, erhöht sich die auf die Spitze des Rasterkraftmikroskops wirkende Kraft um wenige Piconewton", schreiben Leo Gross und seine Kollegen vom IBM Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich. Zusammen mit Physikern der Universitäten in Regensburg und Utrecht deponierten sie einzelne Gold- und Silberatome auf einer isolierenden Kochsalzfläche. Je nach Ladungszustand dieser Atome wirkten auf die Mikroskopspitze, die sich bis auf einen halben Nanometer annäherte, unterschiedlich starke Kräfte. Mit einer Auflösung von weniger als einem Piconewton konnten so eindeutig neutrale von negativ als auch positiv geladenen Atomen unterschieden werden.

 

Abb.: Prinzip der Ladungsmessung: Bis auf 0,5 Nanometer nähert sich die Spitze des Rasterkraftmikroskops den neutralen oder geladenen Metallatomen an.
(Bild: IBM)

Als Kraftsensor diente im Mikroskop eine winzige Stimmgabel, von der ein Arm fest fixiert wurde. Der zweite Arm dagegen oszillierte mit extrem kleinen Amplituden von etwa 22 Picometern, etwa ein Zehntel des Durchmessers eines Atoms. Näherte sich nun die Mikroskopspitze am schwingenden Teil der Stimmgabel den einzelnen Atomen, verschob sich die Schwingungsresonanz abhängig von der Größe der wirkenden Kräfte. Über einem einfach negativ  geladenen Goldatom konnte so eine um elf Piconewton größere Anziehungskraft gemessen werden als über einem neutralen Goldatom. Unterschiede in der gleichen Größenordnung ergaben sich bei Vergleichsmessungen über einem neutralen und einem einfach positiv geladenen Silberatom.

Obwohl diese Messmethode nur im Hochvakuum bei sehr tiefen Temperaturen von etwa fünf Kelvin funktioniert, hat sie nach Aussage der Forscher ein breites Anwendungspotenzial. "Ein Rasterkraftmikroskop mit einer Ein-Elektron-Empfindlichkeit ist ein nützliches Werkzeug, um den Ladungstransfer in Molekülkomplexen zu untersuchen", sagt IBM-Forscher Gerhard Meyer. Das könne zu neuen Erkenntnissen für die Entwicklung von revolutioniären Schaltkreisen im Nanomaßstab führen.

Im Unterschied zu Ladungsmessungen mit atomarer Auflösung mit Rastertunnelmikroskopen benötigt man für dieses kontaktlose Verfahren keine leitfähige Unterlage. Im Prinzip lassen sich daher die Ladungszustände beliebiger Proben bis auf das einzelne Atom genau untersuchen. "Ladungszustände und Ladungsverteilung sind wichtig in der Katalyse und bei der Photokonversion", sagt der Erstautor Leo Gross. Er erwartet daher, dass diese Methode auch für die Analyse chemischer Reaktionen und zur Verbesserung von Solarzellen genutzt werden könnte.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Leo Gross et al., Measuring the Charge State of an Adatom with Noncontact Atomic Force Microscopy. Science 324, 1428-1431 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1172273

• IBM Forschungslabor Rüschlikon:
  http://www.zurich.ibm.com/

• Debye Institute for Nanomaterials Science, Universität Utrecht:
  http://www.debye.uu.nl/
  

• Institut für Experimentalphysik, Rastersondenmikroskopie, Universität Regensburg:
  http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/giessibl/neu/index.phtml
  

Weiterführende Literatur:

• Y. Sugimoto et al., Chemical identification of individual surface atoms by atomic force microscopy. Nature 446, 64-67 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05530

• Y. Sugimoto et al., Complex Patterning by Vertical Interchange Atom Manipulation Using Atomic Force Microscopy. Science 322, 413-417 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1160601

• M. Ternes, C. P. Lutz, C. F. Hirjibehedin, F. J. Giessibl, A. J. Heinrich, The Force Needed to Move an Atom on a Surface. Science 319, 1066-1069 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1150288

KP