Forschung

Atome streicheln für Fortgeschrittene

09.06.2020 - Sauerstoffatom dient als Fühler bei zerstörungsfreier atomarer Abbildung von Oberflächen.

Wie kann man Oberflächen möglichst sanft und zer­stö­rungs­frei auf ato­marer Skala ab­bilden? An der TU Wien verwendet man ein einzelnes Sauer­stoff­atom als Fühler. Sauer­stoff ist höchst reaktiv, er lagert sich an vielen Ober­flächen an und bestimmt dadurch auch ihr chemi­sches Ver­halten. An der TU Wien studiert man die Wechsel­wirkung zwischen Sauer­stoff und Metall­oxid-Ober­flächen, die für viele tech­nische Anwen­dun­gen eine wichtige Rolle spielen – von chemischen Sen­soren über Kata­lysa­toren bis hin zur Elek­tronik.

Aller­dings ist es ext­rem schwie­rig, die Sauer­stoff­atome auf der Me­talloxid-Oberflä­che zu untersu­chen, ohne sie dabei zu verän­dern. An der TU Wien ge­lang das nun mit einem speziel­len Trick: An der äußers­ten Spitze ei­nes Ras­terkraft­mikro­skops wird ein einzelnes Sauer­stoff­atom be­festigt und sanft über die Oberflä­che ge­führt. Die Kraft zwi­schen Oberflä­che und Sauer­stoff­atom wird ge­messen – und so lässt sich ein Bild mit ext­rem ho­her Auf­lösung anferti­gen.

„In den letz­ten Jah­ren wurde viel da­ran ge­forscht, wie sich Sauer­stoff an Me­talloxid-Oberflä­chen an­lagert“, sagt Martin Setvin vom Institut für Ange­wandte Physik der TU Wien. „Handelt es sich um O2-Mole­küle? O­der wer­den die Moleküle in ein­zelne Sauer­stoff­atome zerlegt? Oder bil­det sich vielleicht das soge­nannte Tetra­oxygen, ein Kom­plex aus vier Ato­men? Solche Fragen sind wichtig, um che­mische Reaktio­nen an der Me­talloxid-Oberflä­che zu verste­hen.“

Leider ist es nicht einfach, ein Bild von die­sen Ato­men auf­zuneh­men. Oft werden Raster­tunnel­mikro­skope einge­setzt, um Oberflä­chen Atom für Atom ab­zubilden. Dabei führt man eine feine Spitze in mini­ma­lem Ab­stand über die Probe, sodass einzelne Elektro­nen zwi­schen Probe und Spitze über­wechseln können. Ge­mes­sen wird der elektri­sche Strom, der dabei fließt. Diese Methode lässt sich in die­sem Fall aller­dings nicht ein­setzen – die Sau­erstoff­moleküle würden elektrisch aufge­laden werden und dadurch ihr Ver­halten völlig verän­dern.

Daher verwen­dete man stattdes­sen ein Raster­kraftmik­roskop. Auch hier lässt man eine dünne Spitze über die Ober­flä­che wan­dern, doch in diesem Fall fließt kein Strom, gemes­sen wird hingegen die Kraft, die zwi­schen Spitze und Ober­flä­che wirkt. Entschei­dend war ein be­sonderer Trick – die Funk­tionali­sierung der Spitze: „Ein ein­zelnes Sauer­stoff­atom wird zu­nächst von der Spitze des Ras­terkraft­mikro­skops er­fasst und dann mit der Spitze über die Oberflä­che be­wegt“, erklärt I­gor Soko­lović. Das Sauer­stoff­atom dient so­mit als hoch­sen­sible Sonde, um Punkt für Punkt die Oberflä­che zu untersu­chen. Weil dabei kein Strom fließt und das Sauer­stoff­atom nie ganz in Kontakt mit der Oberflä­che kommt, ist diese Methode extrem sanft und verän­dert die Atome auf der Me­talloxid-Oberflä­che nicht. So kann man die Geomet­rie der Sauer­stoff-An­lagerun­gen auf dem Me­talloxid genau unter­su­chen.
 

„Die­ses Funk­tiona­lisie­ren der Spitze, in­dem man ein ganz be­stimmtes Atom da­rauf­setzt, wurde in den letz­ten Jah­ren ent­wi­ckelt, wir zei­gen nun erst­mals, wie er­folg­­reich die Me­thode bei Me­tall­oxid-Ober­flä­chen sein kann“, sagt Set­vin. Es zeigt sich, dass die Sauer­­stoff­mo­lek­üle auf un­ter­schiedli­che Wei­sen am Me­tall­oxid ange­lagert wer­den kön­nen – ent­we­der auf den Titan-Ato­men der Ober­flä­che, oder an be­stimm­ten Stel­len, an de­nen im Ti­tanoxid ein Sauer­­stoff­­atom fehlt. Je nach Tempe­ra­tur kann es dann zu ei­nem Auf­spal­ten der Sauer­­stoff­­molek­üle in zwei ein­zelne Sauer­­stoff­­atome kom­men. Tet­ra­oxygen, ein hypo­theti­scher Kom­plex aus vier Sauer­­stoff­ato­men, wurde hin­ge­gen nicht ge­fun­den.

„Die Ti­tanoxid-Ober­flä­chen, die wir auf diese Weise un­ter­su­chen, sind ein pro­toty­pi­scher Fall, um die Me­thode ge­nau zu tes­ten“, er­klärt Mar­tin Set­vin. „Aber die Er­kenntnisse, die wir dar­aus ge­win­nen, gel­ten na­tür­lich auch für viele an­dere Ma­teria­lien.“ Die Mik­ro­sko­pie mit funk­tio­nali­sier­ter Spitze in ei­nem Ras­ter­kraft­mik­ro­skop ist eine viel­sei­tige Me­thode, um zer­stö­rungsfrei und ohne elekt­roni­sche Ver­ände­rung eine Ober­flä­chen­struk­tur mit ato­ma­rer Auf­lö­sung abzu­bil­den.

TU Wien / LK

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