Mikroskopie auf einen atomaren Punkt gebracht

Physiker des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart tasten eine Probe ab, indem sie die Spitze eines modifizierten Rastertunnelmikroskops darüber ziehen. Oberflächen von Metallen und möglicherweise auch von Keramiken oder anderen Festkörpern lassen sich damit besonders scharf und detailreich abbilden. Im Unterschied zu einem klassischen Rastertunnelmikroskop, besteht der Kontakt aus einem Adatom: einem auf der Oberfläche liegenden Atom. So erhalten die Forscher Bilder, auf denen die atomare Struktur besser zu erkennen ist als auf gewöhnlichen Aufnahmen mit einem Rastertunnelmikroskop. Weil die Spitze des Mikroskops dabei die Oberfläche über das Adatom berührt und zudem dessen Quanteneigenschaften zum Tragen kommen, sprechen die Forscher von Quantenpunkt-Kontakt-Mikroskopie, kurz QPCM. Damit haben sie erstmals direkt die Struktur eines ungewöhnlichen Ordnungseffektes auf einer Goldoberfläche abgebildet. Außerdem haben die Wissenschaftler Hinweise gefunden, dass sie mit der Methode bestimmen können, zu welchem chemischen Element die ertasteten Atome gehören.

Getestet haben sie die Feinfühligkeit des atomaren Fingers bislang an Metallen wie Kupfer, Silber, Gold und Platin, die sehr regelmäßige Kristallgitter bilden. Wie seine Umgebung beschaffen ist, fühlt das Kontaktatom, weil zwischen Mikroskopspitze und Probe eine Spannung anliegt und ein quantenmechanischer Tunnelstrom fließt. Wie viel Strom fließt, hängt von der Leitfähigkeit direkt unter dem Adatom ab. Anhand des Tunnelstroms, ermittelt zwar auch ein Rastertunnelmikroskop (RTM) im normalen Betriebsmodus, wie die Oberfläche strukturiert ist. Die Quantenpunkt-Kontakt-Mikroskopie liefert allerdings mehr Details und schärfere Bilder, weil sie ein einzelnes Atom nutzt, das die Oberfläche berührt, berichten die Forscher. Das Atom registriert so nämlich nur, wie die Probe direkt unter ihm beschaffen ist. Der RTM-Spitze, die im besten Fall auch in einem einzelnen Atom ausläuft, fehlt dieser unmittelbare Kontakt im normalen Betriebsmodus, wodurch ihre Sicht leicht getrübt wird. Direkt mit der Spitze über die Probenoberfläche zu fahren, hilft wiederum kaum, weil dann meistens nicht klar ist, ob sie die Probe nur mit dem äußersten Atom berührt oder ob die Kontaktfläche größer ist. Außerdem kann die Spitze weiche Proben verändern, was eine Messung wertlos macht.

Damit sich das Adatom mit der RTM-Spitze über die Probe führen lässt, muss die Mikroskop-Spitze symmetrisch geformt und ausgesprochen stabil sein. Also präparierten die Forscher die Spitze so, dass sie die nötige Stabilität besaß. Auf einem herkömmlichen RTM-Bild suchten die Physiker dann ein auf der Oberfläche liegendes Atom und setzten die Mikroskopspitze auf ihm ab. Der Kontakt bestätigte sich anhand der gemessenen Leitfähigkeit. Die entspricht bei vollem Kontakt zwischen Spitze, Adatom und Probe nämlich etwa einem Leitwertquantum, der Leitfähigkeit, die ein einzelnes Atom höchstens ermöglicht. Bestünde der Kontakt aus mehr als einem Atom, würden die Forscher eine höhere Leitfähigkeit messen.

Als das Kontaktatom nun die Oberfläche abtastete, änderte sich die gemessene Leitfähigkeit abhängig von der genauen Position des Atoms zwischen Probe und Spitze sowie seiner Umgebung. Die Veränderung ließ daher auf die räumliche Struktur der obersten Atomlage der Probe schließen. Wieviel Strom durch das Atom floß, hing aber auch davon ab, ob in der zweiten Atomlage unter der Oberfläche ebenfalls ein Atom saß oder ob sich dort eine Lücke befand. Daraus wiederum konnten die Forscher auf die Kristallstruktur direkt an der Oberfläche bestimmen.

Wie hilfreich das sein kann, haben die Stuttgarter Physiker umgehend bewiesen. Nicht immer nämlich entspricht die Struktur an der Oberfläche der Probe der Kristallstruktur in ihrem Inneren. Eine Goldoberfläche bietet dafür ein Beispiel. In ihr wechseln sich in einem Fischgrät-Muster zwei verschiedene Kristallstrukturen ab. Es gab aber bisher dafür nur indirekte Beweise. Die Stuttgarter Forscher konnten nun die beiden Strukturen direkt abbilden.

Die Leitfähigkeit hängt auch von der chemischen Natur des kontaktierten Atoms ab. "Ein Experiment mit Eisenatomen auf einer Platinoberfläche hat uns erste Hinweise gegeben, dass wir aus Änderungen der Leitfähigkeit schließen können, welche Atome wir ertasten", sagt Peter Wahl, der die Methode gemeinsam mit zwei Kollegen entwickelt hat. Um diesen Effekt praktisch auszunutzen, müssen die Physiker den Zusammenhang zwischen der chemischen Beschaffenheit und der Leitfähigkeit aber zunächst noch besser verstehen.

Leichter würde eine chemische Oberflächenanalyse, wenn die Physiker ihren mikroskopischen Finger auf die einzelnen Atome legen könnten. Das Adatom, mit dem sie derzeit über die oberste Atomlage fahren, hüpft nämlich immer in die Mulden zwischen benachbarten Atomen. So lässt sich zwar die Form des Gitters präzise abbilden, die Messung gibt aber nur vage Fingerzeige für die chemische Natur der Gitteratome.

Lässt sich die QPCM auch dafür sensibilisieren, könnte sie zu einer alternativen Analysemethode werden, die ähnlich wie energiedispersive Elektronenmikroskope die atomare Struktur von Oberflächen abbildet und dabei auch chemische Informationen liefert, hoffen die Forscher.

MPG / PH

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