15.03.2007 · Das Rasterkraftmikroskop ist ein bewährtes Instrument in der Nanotechnik. Forschern ist es nun gelungen, das Gerät um eine wesentliche Facette zu erweitern. Sogar einzelne Atome lassen sich nun bestimmten Elementen zuordnen.
Von Uta Bilow
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Mit dem Rasterkraftmikroskop in die Welt der Atome schauen
Das Rasterkraftmikroskop ist ein bewährtes Instrument in der Nanotechnik. Man kann damit Oberflächen bis in ihre atomaren Details untersuchen und abbilden oder auch einzelne Atome manipulieren. Damit liefert das Gerät nützliche analytische Informationen.
Einer internationalen Forschergruppe ist es nun gelungen, den Anwendungsbereich des Rasterkraftmikroskops um eine wesentliche Facette zu erweitern. Die Wissenschaftler haben mit ihrem Instrument nicht nur eine Legierung in atomarer Auflösung abgebildet, sondern auch herausgefunden, welches Atom zu welcher Elementsorte gehört. Grundlage dafür ist offenbar, dass man mit dem Rasterkraftmikroskop von jeder Elementsorte eine Art chemischen Fingerabdruck erfassen kann.
Prinzip des Tonabnehmer eines Plattenspielers
Ein Rasterkraftmikroskop arbeitet im Prinzip wie der Tonabnehmer eines Plattenspielers: Eine feine, mit dem bloßen Auge nicht zu erkennende Nadel tastet die Oberfläche Zeile für Zeile ab. Die Nadel sitzt am Ende einer Blattfeder, deren Auslenkungen registriert werden. Aus diesen Signalen wird dann das Bild der Oberfläche rekonstruiert. Die Forscher um Oscar Custance von der Universität in Osaka (Japan) verwendeten ihr Rasterkraftmikroskop im sogenannten dynamischen Modus.
Sie untersuchten zunächst Siliziumoberflächen, auf denen sich Blei-, Indium- oder Zinnatome befanden. Dabei lag die Messspitze nicht der Probe auf, sondern sie schwebte knapp darüber. Blattfeder und Spitze wurden während der Messung zu Schwingungen angeregt.
Den Atomen eine Identität zuzuordnen
Sobald sich die schwingende Messspitze der Probe näherte, änderte sich die Schwingfrequenz aufgrund der Kräfte, die zwischen Probe und Sonde wirkten. Wie die Wissenschaftler bei ihren Untersuchungen herausfanden, waren diese Wechselwirkungen jedoch nicht über jeder Atomsorte gleich groß. Vielmehr maßen sie über verschiedenen Atomen geringfügig unterschiedliche Werte, die dazu genutzt werden konnten, den untersuchten Atomen eine Identität zuzuordnen.
Was zunächst auf Modelloberflächen mit bekannter Anordnung der Elemente erprobt wurde, prüften die Forscher anschließend an einer Legierung aus Zinn, Blei und Silizium. Auch hier gelang es ihnen, die exakte Verteilung der Elemente in der Probe abzubilden („Nature“, Bd. 446, S. 64). Zudem haben die aufwendigen Modellrechnungen, die die Forscher ausgeführt haben, die Ergebnisse der Beobachtungen untermauert.
Rasterkraftmikroskop mit chemischem Tastsinn
Das Rasterkraftmikroskop ist seit seiner Erfindung vor rund zwanzig Jahren immer weiter entwickelt und verfeinert worden. Offenbar besitzt es nicht nur „Augen“ für die Topographie einer Probe, sondern auch einen weiteren Sinn, der auf die Chemie abzielt. Als nächsten Schritt gilt es nun zu überprüfen, ob auch andere Elemente als die jetzt untersuchten einen chemischen Fingerabdruck besitzen, der mit dem Rasterkraftmikroskop gemessen werden kann und eine Unterscheidung der Atome zulässt.
Ließe sich das Verfahren etablieren, stünde der Wissenschaft ein ungemein wertvolles Instrument zur Verfügung. Denn das Rasterkraftmikroskop kann - im Gegensatz zum Rastertunnelmikroskop - nicht nur elektrisch leitfähige Proben vermessen, sondern auch Isolatoren oder Halbleiter. Ob in der Mikroelektronik, der Katalysatorforschung oder der Materialwissenschaft: Ein Rasterkraftmikroskop mit chemischem Tastsinn ist der Wunschtraum vieler Wissenschaftler.
