Auf den Quantenpunkt gebracht

  • 08. July 2015

Ultrahochauflösendes 3D-Mikroskopieverfahren für elektrische Felder.

Mit einem einzelnen Molekül als Sensor ist es Wissenschaftlern des FZ Jülich gelungen, elektrische Potenzialfelder in bisher unerreichter Präzision abzubilden. Die ultrahochaufgelösten Aufnahmen geben Aufschluss über die Verteilung von Ladungen in der Elektronenhülle einzelner Moleküle und sogar Atome. Die Methode arbeitet berührungsfrei und in 3D. Das als Raster-Quantenpunkt-Mikroskopie bezeichnete Verfahren ist für vielfältige wissen­schaftliche Bereiche relevant, beispielsweise für die Erforschung von Biomolekülen und Halbleitermaterialien.

Silberatom

Abb.: Ein einzelnes Silberatom auf einer Silberunterlage unter dem Raster-Quantenpunkt-Mikroskop. (Bild: FZ Jülich)

„Mit unserer Methode lassen sich elektrische Felder in der Nähe einer Probenoberfläche erstmals mit atomarer Genauigkeit im Sub-Nanometer-Bereich quantitativ erfassen", erläutert Ruslan Temirov. Solche elektrischen Felder umgeben alle Nanostrukturen wie eine Art Aura. Ihre Eigenschaften geben beispielsweise Aufschluss über die Verteilung von Ladungen in Atomen oder Molekülen. Für die Messung nutzten Temirov und seine Kollegen ein Rasterkraftmikroskop. Dessen Funktionsweise ähnelt dem eines Plattenspielers: Die Spitze fährt über die Probe und erstellt so Stück für Stück eine zusammenhängende Darstellung der Oberfläche. Um elektrische Felder zu erfassen, verwendeten Wissenschaftler bislang den ganzen vorderen Teil der Abtast-Spitze als Kelvin-Sonde. Doch das ungleiche Größenverhältnis von Spitze und Probe hat ungünstige Folgen für das Auflösungsvermögen.

Um die Auflösung und Empfindlichkeit zu verbessern, hat das FZJ-Team ein einzelnes Molekül als Quantenpunkt an die Spitze des Mikroskops geheftet. Quantenpunkte sind winzige Strukturen im Bereich weniger Nanometer, die aufgrund von Quanteneffekten nur ganz bestimmte, diskrete Zustände annehmen können, vergleichbar mit den Energieniveaus eines einzelnen Atoms. Die Funktion des Quantenpunkts an der Mikroskopspitze gleicht der einer Balkenwaage, die sich mal zur einen, mal zur anderen Seite bewegt. Ein Ausschlag in die eine oder andere Richtung entspricht dabei der An- oder Abwesenheit eines zusätzlichen Elektrons, das entweder von der Spitze auf das Molekül herüberspringt, oder eben nicht. Die Molekül-Waage vergleicht auf diese Weise keine Gewichte, sondern zwei elektrische Felder, die auf das bewegliche Elektron des molekularen Sensors einwirken: auf der einen Seite das Feld einer Nanostruktur, das gemessen werden soll, und auf der anderen ein weiteres Feld, das die – unter Spannung stehende – Spitze des Mikroskops umgibt.

Messprinzip

Abb.: Schematische Darstellung des Messprinzips: In Abhängigkeit vom lokalen elektrischen Potenzialfeld einer Nanostruktur auf der Probenoberfläche springt ein einzelnes Elektron von der Mikroskop-Spitze auf das Sensor-Molekül oder zurück. (Bild: FZ Jülich)

„Die Spannung an der Spitze wird jeweils so lange variiert, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Kennt man die angelegte Spannung, kennt man auch das Feld der Probe an der Position des Moleküls“, erklärt Christian Wagner aus Temirovs Nachwuchsgruppe. „Weil die gesamte Molekül-Waage so klein ist und aus nur 38 Atomen besteht, können wir ein sehr scharfes Bild vom elektrischen Feld der Probe machen – ähnlich einer Kamera mit besonders kleinen Pixeln.“

Die zum Patent angemeldete Methode eignet sich insbesondere zur Vermessung rauer Oberflächen, beispielsweise von Halbleiterstrukturen für elektronische Bauelemente oder stark gefalteter Biomoleküle. „Bei der Raster-Quantenpunkt-Mikroskopie kann, anders als bei vielen anderen Formen der Rastersondenmikroskopie, auch über eine Distanz von mehreren Nanometern gemessen werden. In der Nanowelt ist das eine ziemlich weite Entfernung“, betont Wagner. Bislang ist die am FZ Jülich entwickelte Methode allerdings auf Anwendungen im Hochvakuum und auf tiefe Temperaturen beschränkt – Voraussetzungen, die notwendig sind, um das einzelne Molekül kontrolliert an die Spitze des Mikroskops zu koppeln. „Im Prinzip sind aber auch andere Ausführungen denkbar, die bei Raumtemperatur funktionieren.“ Anstelle eines Sensor-Moleküls könnten nämlich auch andere Formen von Quantenpunkten zum Einsatz kommen, die sich mit Halbleitermaterialien realisieren lassen, beispielsweise Quantenpunkte aus Nanokristallen, wie sie in der Grundlagenforschung bereits verwendet werden.

FZJ / RK

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