Atome dirigieren per Elektronenstrahl

  • 10. July 2018

Siliziumatome lassen sich gezielt in Graphen verschieben.

Elektronenmikroskopen machen Atome sichtbar. Dieselben Elektronen, die in diesen Geräten atomare Strukturen bildlich darstellen, lassen sich aber auch verwenden, um einzelne Atome im Material gezielt zu verschieben. Diese neu­artige Technik, welche von Forschern an der Universität Wien entwickelt wurde, erlaubt nun die nahezu perfekte Kontrolle über die Bewegung von einzelnen Silizium­atomen in Graphen.

bb.: Ein auf ein Kohlenstoffatom fokussierter Elektronen­strahl kann in kontrollierter Art und Weise ein benachbartes Silizium­atom dazu bringen, an die Stelle zu springen, auf die der Strahl gerichtet war. (Bild: CC-BY, T. Susi / U. Wien)

bb.: Ein auf ein Kohlenstoffatom fokussierter Elektronen­strahl kann in kontrollierter Art und Weise ein benachbartes Silizium­atom dazu bringen, an die Stelle zu springen, auf die der Strahl gerichtet war. (Bild: CC-BY, T. Susi / U. Wien)

Ein bemerkenswerter Durchbruch im Bereich der Nano­technologie, das Raster­tunnel­mikroskop, ist seit den späten 1980ern in der Lage, Atome auf Ober­flächen zu verschieben. Bis vor kurzem war dies die einzige Methode, gezielt individuelle Atome in kontrollierter Art und Weise zu bewegen. Nun kann man mittels Raster­trans­mission­selektronen­mikroskopen (STEM) einen hoch­präzisen Elektronen­strahl mit sub­atomarer Genauig­keit auf Proben fokussieren. Dies erlaubt es Wissenschaftern, direkt jedes einzelne Atom in zwei­dimensionalen Materialien wie beispiels­weise Graphen bildlich darzustellen und mit dem Elektronen­strahl anzuvisieren. Jedes Elektron dieses Strahles hat eine kleine Chance, vom Kern dieses anvisierten Atoms zurück­gestreut zu werden, was dem Atom einen kleinen Stoß in die Gegen­richtung verpasst.

Aufbauend auf den Forschungsergebnissen der letzten Jahre gelang es nun einem Team von Forschern an der Universität Wien unter der Leitung von Toma Susi unter Verwendung eines modernen Hoch­leistungs­elektronen­mikroskops des Typs „Nion UltraSTEM 100“ einzelne Silizium­atome in Graphen mit beindruckender atomarer Präzision zu bewegen. Selbst bei manueller Handhabung ist diese beeindruckende Technik bereits jetzt in der Lage, diese gezielten Bewegungen in vergleich­barer Geschwindigkeit zu allen anderen bekannten präzisen Techniken durch­zuführen. „Die Präzision, die wir erreichen können, indem wir den Elektronen­strahl per Hand in jede beliebige Richtung steuern, ist bemerkens­wert. Und wir haben nun auch die ersten Schritte in Richtung Automatisierung gesetzt und können Bewegungs­ereignisse in Echtzeit detektieren“, sagt Toma Susi.

Insgesamt erzielten die Forscher fast 300 kontrollierte Atom­sprünge. Zusätzlich zur Bewegung eines Atoms in einem der Hexagone in Graphen und zu neuen, erweiterten Wegen im Graphen­gitter, konnten sie ein Silizium­atom wieder­holte Male zwischen zwei benach­barten Atom­positionen hin und her verschieben, welche lediglich ein zehn­millionstel Meter voneinander entfernt sind. Dies kann man sich so vorstellen, als ob man einen atomaren Schalter umlegen würde. Im Prinzip kann man damit ein Bit von Information in der weltweit höchsten Speicher­dichte aufzeichnen. Toma Susi abschließend: „Es wird noch etwas dauern, bis wir Computer oder Handys mit atomarem Speicher haben, aber Dotier­atome wie Silizium in Graphen haben das Potential als Bits zu dienen. Und dies mit einer Dichte nahe am Limit des physikalisch Machbaren.“

U. Wien / DE

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