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Rasterkraftmikroskopie Atomarer Ladungszustand mittels Rasterkraftmikroskopie bestimmt

Redakteur: Olaf Spörkel

IBM Forscher haben den Ladungszustand einzelner Atome mit dem Rasterkraftmikroskop gemessen und so einen weiteren Baustein in der Erforschung elektronischer Bauelemente aus Molekülen geliefert.

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Mittels Rasterkraftmikroskopie haben Forscher den Ladungszustand einzelner Atome gemessen. Für zukünftige Experimente können sich die Forscher vorstellen, Verbindungen aus einzelnen metallischen Atomen (orange) und Molekülen herzustellen, diese mit Elektronen zu laden und deren Verteilung direkt mit dem RKM zu messen.
Mittels Rasterkraftmikroskopie haben Forscher den Ladungszustand einzelner Atome gemessen. Für zukünftige Experimente können sich die Forscher vorstellen, Verbindungen aus einzelnen metallischen Atomen (orange) und Molekülen herzustellen, diese mit Elektronen zu laden und deren Verteilung direkt mit dem RKM zu messen.
( Bild: IBM )

Zürich/Schweiz – In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universitäten Regensburg und Utrecht konnten IBM Forscher jetzt den Ladungszustand von einzelnen Atomen direkt mittels Rasterkraftmikroskopie (RKM) messen. Die Präzision, mit der sie zwischen ungeladenen bzw. positiv oder negativ geladenen Atomen unterscheiden konnten, betrug eine einzelne Elektronenladung bei einer nanometergenauen räumlichen Auflösung. Dies eröffnet nach Ansicht der Forscher neue Möglichkeiten für die Erforschung von Nanostrukturen und Bausteinen auf atomarer und molekularer Skala in Anwendungsbereichen wie der molekularen Elektronik, der Katalyse oder der Photovoltaik.

Für ihre Experimente verwendeten die Forscher eine Kombination aus Rastertunnel- (RTM) und Rasterkraftmikroskop (RKM), betrieben im Ultrahochvakuum und bei tiefen Temperaturen (5 Kelvin), um die für die Messungen notwendige Stabilität zu erreichen. Die Wissenschaftler entdeckten, dass die Kraftdifferenz zwischen einem neutralen Goldatom und einem Goldatom mit einem zusätzlichen Elektron, nur rund elf Pikonewton beträgt, gemessen bei einer minimalen Distanz zwischen Spitze und Probe von ungefähr einem halben Nanometer. Die Messgenauigkeit der Experimente liegt im Bereich von einem Pikonewton, was der Gravitationskraft entspricht, die zwei Menschen in einem Abstand von mehr als einem halben Kilometer aufeinander ausüben. Die Forscher bestimmten zudem, wie sich die Kraft mit der zwischen Spitze und Probe angelegten Spannung veränderte. Dies erlaubte die Unterscheidung, ob das entsprechende Atom negativ oder positiv geladen war.

Fortschritt für die Nanoforschung

Dieser Durchbruch ist laut IBM ein wichtiger Fortschritt auf dem Gebiet der Nanoforschung. Im Gegensatz zum RTM, das auf elektrisch leitfähige Proben angewiesen ist, kann das RKM auch für nichtleitende Proben verwendet werden. In der molekularen Elektronik, in der die Verwendung von Molekülen als funktionale Bausteine in zukünftigen Schaltkreisen und Prozessoren erforscht wird, werden nichtleitende Trägersubstanzen (Substrate) benötigt. Deshalb würde bei solchen Experimenten bevorzugt die Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz kommen.

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