28. August 2011, Neue Zürcher Zeitung / NZZexecutive

Ein Mikroskop zum Abtasten von Atomen

Errungenschaften der Technik

Errungenschaften der Technik, Ein Mikroskop zum Abtasten von Atomen

Lucien F. Trueb

Wenn jemand Anfang der 1980er Jahre behauptet hätte, er könne Atome mit einer Nadel einzeln abtasten und sichtbar machen, wäre er wohl als verrückt erklärt worden. Doch genau dies gelang den IBM-Physikern Heinrich Rohrer und Gerd Binnig in Rüschlikon bei Zürich; dafür erhielten sie 1986 den Nobelpreis.

Strom im Tunnel

Ihre Erfindung nannten Rohrer und Binnig Raster-Tunnelmikroskop (abgekürzt RTM). Das rasterartige Abtasten versteht man, aber woher kommt der Tunnel? Gemeint ist der Tunnelstrom, ein Kind der Quantentheorie, die in mancher Hinsicht dem sogenannten gesunden Menschenverstand widerspricht. Dazu gehört die merkwürdige Tatsache, dass jede Form von Materie auch Strahlung ist. Dies gilt auch für jene Elektronen, die Atome nach aussen abschliessen: Aufgrund ihrer Wellenbewegung sind sie räumlich nicht scharf definiert.

Nähern sich zwei elektrisch leitende Körper bis auf einige Atomdurchmesser, so durchdringen sich die zugehörigen Elektronenwolken schon ohne materiellen Kontakt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung fliesst ein winziger Strom im Bereich eines Milliardstel-Ampere. Dieser sogenannte Tunnelstrom kommt dadurch zustande, dass die Elektronen einen an sich unüberwindbaren Potenzialwall gewissermassen untertunneln können.

Auf dieser Erscheinung basiert das RTM. Mit einer extrem scharfen Spitze, deren Ende ein einzelnes Atom ist, wird die zu untersuchende Oberfläche rasterartig abgetastet, ohne sie zu kontaktieren. Der Tunnelstrom ist sehr stark vom Abstand der Spitze abhängig: Schon eine Änderung um einen Atomdurchmesser bewirkt eine tausendfache Änderung des Stroms. Wird der Tunnelstrom mit Hilfe eines äusserst empfindlichen Rückkoppelungsmechanismus konstant gehalten, so folgt die Nadel dem Oberflächenprofil der abgetasteten Atome. Aus einer Vielzahl nebeneinanderliegender Profile kann man ein dreidimensionales Bild mit subatomarem Auflösungsvermögen zusammensetzen.

Später Triumph für Demokrit

Auf einem RTM-Bild wird jedes einzelne Atom als Kügelchen sichtbar – wie es der griechische Gelehrte Demokrit von Abdera vor zweieinhalb Jahrtausenden postuliert hatte. Genau genommen sieht man aber im RTM nicht eine rein atomare Topografie, sondern ihre Kombination mit elektronischen Eigenschaften. Dies ist auch der Fall, wenn die Höhe der Spitze beim Abtasten konstant gehalten wird und man die Oberfläche aufgrund der Intensitätsvariation des Tunnelstroms rekonstruiert. In diesem Fall registriert man primär elektronische Oberflächeneffekte.

Das RTM ist im vergangenen Vierteljahrhundert ein routinemässig eingesetztes Instrument geworden, für das immer wieder neue Anwendungen gefunden werden. So lassen sich elektrisch leitende Oberflächen nicht nur im Hochvakuum, sondern auch in Luft, Wasser, Öl und sogar in flüssigem Helium untersuchen. Man kann für jedes abgetastete Atom den charakteristischen Tunnelstrom messen, der von seinen Bindungen mit den Nachbaratomen abhängt.

Wird das Abtasten einer gegebenen Oberfläche in rascher Folge wiederholt, so erhält man Videobilder zum Verfolgen dynamischer Prozesse wie chemische Reaktionen. Mit der Abtastspitze gelingt es sogar, einzelne Atome zu manipulieren, das heisst sie aus dem Verband zu lösen und anderswo gezielt zu deponieren. Dies ermöglichte das vorderhand noch als Spielerei geltende atomare Schreiben.

Beim Abtasten und bei der Höhenregelung der Spitze gelten extreme Anforderungen. Sie können mit piezoelektrischen Aktuatoren erfüllt werden, die eine präzise Kontrolle im Bereich des Millionstel-Millimeters ermöglichen. Sehr anspruchsvoll ist auch die Dämpfung von Vibrationen. So muss das Instrument schwimmend gelagert werden, während die Abtastspitze mit einem mehrstufigen System von Federn und energieabsorbierenden Elementen von der Umwelt entkoppelt wird.

Mit dem Raster-Tunnelmikroskop lassen sich nur elektrisch leitende Oberflächen abbilden. Diesen Nachteil hat das daraus abgeleitete Raster-Kraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) nicht, denn es stützt sich auf die Kraft, die eine extrem fein ausbalancierte Spitze beim mechanischen Abtasten beliebiger Oberflächen und sogar von grossen Molekülen erfährt.

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