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Forscher von IBM Research - Züich (NYSE: IBM) haben erstmals die vollständige chemische Struktur eines Moleküls mit einem Rasterkraftmikroskop atomar aufgelöst. Den Wissenschaftern gelang damit ein Durchbruch auf dem Gebiet der Nanowissenschaften, der auch der Erforschung neuartiger elektronischer Bauelemente auf der atomaren und molekularen Skala neue Möglichkeiten eröffnet. Solche Bauelemente könnten in der Zukunft noch leistungsfähigere Chips jenseits der Grenzen der heutigen Technologien ermöglichen.
In den letzten Jahren wurden in der Charakterisierung von Nanostrukturen auf der atomaren Skala mittels Rasterkraftmikroskopie (in Englisch: Atomic Force Microscope oder AFM) erstaunliche Fortschritte erzielt. Der Blick auf die innere Struktur eines Moleküls mit atomarer Auflösung blieb der Wissenschaft jedoch bis jetzt verwehrt.
In der Ausgabe des Wissenschaftsjournals Science vom 28. August 2009 berichten die IBM Forscher Leo Gross, Fabian Mohn, Nikolaj Moll und Gerhard Meyer, sowie Peter Liljeroth von der Universität in Utrecht, wie sie mithilfe eines AFMs die vollständige, chemische Struktur von Pentazen-Molekülen (C22H14) mit atomarer Auflösung abbilden konnten. Die Experimente wurden im Ultrahochvakuum und bei sehr tiefen Temperaturen (5 Kelvin oder -268 °C) durchgeführt. Die erzielten Abbildungen haben in gewisser Weise Ähnlichkeit mit Röntgenaufnahmen, die einen Blick ins Innere des menschlichen Körpers erlauben. Das "AFM mit Röntgenblick" der IBM Forscher kann durch die Elektronenwolke schauen, die das Molekül umhüllt, und das atomare Rückgrat eines Pentazens abbilden.
Diese Publikation folgt nur gerade zwei Monate nach einer weiteren Arbeit der gleichen Gruppe, die am 12. Juni 2009 in Science veröffentlicht wurde. In dieser wurde die Ladungsmessung einzelner Atome mittels AFM beschrieben. "Rastersondentechnologien bieten ein unvergleichliches Potenzial, um auf der atomaren Skala Prototypen komplexer funktionaler Strukturen zu bauen und damit deren elektronische und chemische Eigenschaften gezielt masszuschneidern und zu untersuchen", erklärt Gerhard Meyer, der die Forschung im Bereich Rastertunnelmikroskopie (STM) und AFM bei IBM Research - Zürich leitet.
Die Ergebnisse der beiden Forschungsarbeiten eröffnen neue Möglichkeiten, um die Ladungsverteilung in spezifischen Molekülen oder Molekülnetzwerken zu untersuchen. Das Wissen um diese Vorgänge ist generell sehr wichtig für die Entwicklung von elektronischen Bauelementen auf der atomaren und molekularen Skala. Solche Bauelemente könnten in der Zukunft schnellere, leistungsfähigere und energie-effizientere Prozessoren und Speicherchips ermöglichen, wenn die Grenzen heutiger Chiptechnologien ausgereizt sind.
Eine Spitze für Spitzenauflösung Das AFM verwendet eine winzige, sehr scharfe Metallspitze, um die minimen Kräfte zu messen, die auftreten, wenn diese Spitze sehr nah an eine Probe, wie etwa ein Molekül, herangeführt wird. Mit einer Punkt-für-Punkt Messung dieser Kräfte kann daraus ein Abbild der Oberfläche erstellt werden. Die Pentazen-Moleküle, die die IBM Forscher in der vorliegenden Arbeit verwendeten, bestehen aus 22 Kohlenstoffatomen und 14 Wasserstoffatomen und haben eine Länge von nur 1.4 Nanometern (millionstel Millimeter). Die Abstände der in Sechsecken angeordneten Kohlenstoffatome sind dabei noch rund zehnmal kleiner. Auf den AFM-Aufnahmen sind diese hexagonalen Kohlenstoffringe bestechend klar aufgelöst und selbst die Positionen der Wasserstoffatome können eindeutig identifiziert werden.
IBM Forscher Leo Gross betont: "Ausschlaggebend für die Auflösung waren eine atomar scharfe Spitze mit einem definierten Aufbau sowie eine sehr hohe Stabilität des Gesamtsystems." Damit die chemische Struktur eines Moleküls sichtbar wird, ist es notwendig, die Spitze äusserst nah - weniger als einen Nanometer - an das Molekül heranzuführen. Nur in diesem Bereich treten Kräfte auf, die massgeblich durch chemische Wechselwirkung bestimmt werden. Um dies zu erreichen, mussten die Forscher die Empfindlichkeit der Spitze verbessern und eine grosse Hürde überwinden: Ähnlich wie zwei nebeneinander liegende Magnete, die sich anziehen oder abstossen, verschiebt sich das Molekül oder heftet sich an die Spitze, wenn diese zu nahe kommt. Geschieht dies, können keine weiteren Messungen durchgeführt werden.
Beide Probleme konnten durch die Wahl eines geeigneten Atoms oder Moleküls an der AFM-Spitze gelöst werden. "Um unsere Spitze zu schärfen, haben wir gezielt Atome und Moleküle durch Manipulationstechniken an die Spitze angefügt. Unsere Messungen mit unterschiedlich präparierten Spitzen zeigen deutlich, dass das vorderste Atom oder Molekül der Spitze die Auflösung entscheidend beeinflusst", konstatiert Leo Gross. Ein Kohlenstoffmonoxid (CO) Molekül an der Spitze brachte den Durchbruch und sorgte, bei einem Abstand von etwa einem halben Nanometer zum Pentazen, für optimale Auflösung der einzelnen Atompositionen und deren chemischen Verbindungen.
Den Wissenschaftern gelang es ausserdem, eine vollständige dreidimensionale, topographische Abbildung der Kräfte über dem Molekül zu erstellen. "Die Datenerhebung beanspruchte mehr als 20 Stunden. Dies stellte höchste Ansprüche an die thermische und mechanische Stabilität unseres Systems, um zu gewährleisten, dass die Spitze und das Molekül während der gesamten Zeit unverändert blieben", beschreibt Fabian Mohn, Doktorand bei IBM Research - Zürich.
Theoretische Rechnungen, durchgeführt von IBM Forscher Nikolaj Moll, bestätigten die experimentellen Ergebnisse und gaben Aufschluss über die genaue Natur des Abbildungsmechanismus. Nikolaj Moll erklärt hierzu: "Die Berechnungen zeigten, dass die so genannte Pauli-Abstossung zwischen dem CO-Molekül an der Spitze und dem Pentazen für den atomaren Kontrast verantwortlich ist." Diese abstossende Kraft geht auf einen quantenmechanischen Effekt zurück, der verhindert, dass sich zwei identische Elektronen zu stark aneinander annähern.
Die wissenschaftliche Arbeit von L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth und G. Meyer mit dem Titel "The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy" erschien in Science, Vol. 325, Nr. 5944, S. 1110 - 1114 (28. August 2009).
In den letzten Jahren wurden in der Charakterisierung von Nanostrukturen auf der atomaren Skala mittels Rasterkraftmikroskopie (in Englisch: Atomic Force Microscope oder AFM) erstaunliche Fortschritte erzielt. Der Blick auf die innere Struktur eines Moleküls mit atomarer Auflösung blieb der Wissenschaft jedoch bis jetzt verwehrt.
In der Ausgabe des Wissenschaftsjournals Science vom 28. August 2009 berichten die IBM Forscher Leo Gross, Fabian Mohn, Nikolaj Moll und Gerhard Meyer, sowie Peter Liljeroth von der Universität in Utrecht, wie sie mithilfe eines AFMs die vollständige, chemische Struktur von Pentazen-Molekülen (C22H14) mit atomarer Auflösung abbilden konnten. Die Experimente wurden im Ultrahochvakuum und bei sehr tiefen Temperaturen (5 Kelvin oder -268 °C) durchgeführt. Die erzielten Abbildungen haben in gewisser Weise Ähnlichkeit mit Röntgenaufnahmen, die einen Blick ins Innere des menschlichen Körpers erlauben. Das "AFM mit Röntgenblick" der IBM Forscher kann durch die Elektronenwolke schauen, die das Molekül umhüllt, und das atomare Rückgrat eines Pentazens abbilden.
Diese Publikation folgt nur gerade zwei Monate nach einer weiteren Arbeit der gleichen Gruppe, die am 12. Juni 2009 in Science veröffentlicht wurde. In dieser wurde die Ladungsmessung einzelner Atome mittels AFM beschrieben. "Rastersondentechnologien bieten ein unvergleichliches Potenzial, um auf der atomaren Skala Prototypen komplexer funktionaler Strukturen zu bauen und damit deren elektronische und chemische Eigenschaften gezielt masszuschneidern und zu untersuchen", erklärt Gerhard Meyer, der die Forschung im Bereich Rastertunnelmikroskopie (STM) und AFM bei IBM Research - Zürich leitet.
Die Ergebnisse der beiden Forschungsarbeiten eröffnen neue Möglichkeiten, um die Ladungsverteilung in spezifischen Molekülen oder Molekülnetzwerken zu untersuchen. Das Wissen um diese Vorgänge ist generell sehr wichtig für die Entwicklung von elektronischen Bauelementen auf der atomaren und molekularen Skala. Solche Bauelemente könnten in der Zukunft schnellere, leistungsfähigere und energie-effizientere Prozessoren und Speicherchips ermöglichen, wenn die Grenzen heutiger Chiptechnologien ausgereizt sind.
Eine Spitze für Spitzenauflösung Das AFM verwendet eine winzige, sehr scharfe Metallspitze, um die minimen Kräfte zu messen, die auftreten, wenn diese Spitze sehr nah an eine Probe, wie etwa ein Molekül, herangeführt wird. Mit einer Punkt-für-Punkt Messung dieser Kräfte kann daraus ein Abbild der Oberfläche erstellt werden. Die Pentazen-Moleküle, die die IBM Forscher in der vorliegenden Arbeit verwendeten, bestehen aus 22 Kohlenstoffatomen und 14 Wasserstoffatomen und haben eine Länge von nur 1.4 Nanometern (millionstel Millimeter). Die Abstände der in Sechsecken angeordneten Kohlenstoffatome sind dabei noch rund zehnmal kleiner. Auf den AFM-Aufnahmen sind diese hexagonalen Kohlenstoffringe bestechend klar aufgelöst und selbst die Positionen der Wasserstoffatome können eindeutig identifiziert werden.
IBM Forscher Leo Gross betont: "Ausschlaggebend für die Auflösung waren eine atomar scharfe Spitze mit einem definierten Aufbau sowie eine sehr hohe Stabilität des Gesamtsystems." Damit die chemische Struktur eines Moleküls sichtbar wird, ist es notwendig, die Spitze äusserst nah - weniger als einen Nanometer - an das Molekül heranzuführen. Nur in diesem Bereich treten Kräfte auf, die massgeblich durch chemische Wechselwirkung bestimmt werden. Um dies zu erreichen, mussten die Forscher die Empfindlichkeit der Spitze verbessern und eine grosse Hürde überwinden: Ähnlich wie zwei nebeneinander liegende Magnete, die sich anziehen oder abstossen, verschiebt sich das Molekül oder heftet sich an die Spitze, wenn diese zu nahe kommt. Geschieht dies, können keine weiteren Messungen durchgeführt werden.
Beide Probleme konnten durch die Wahl eines geeigneten Atoms oder Moleküls an der AFM-Spitze gelöst werden. "Um unsere Spitze zu schärfen, haben wir gezielt Atome und Moleküle durch Manipulationstechniken an die Spitze angefügt. Unsere Messungen mit unterschiedlich präparierten Spitzen zeigen deutlich, dass das vorderste Atom oder Molekül der Spitze die Auflösung entscheidend beeinflusst", konstatiert Leo Gross. Ein Kohlenstoffmonoxid (CO) Molekül an der Spitze brachte den Durchbruch und sorgte, bei einem Abstand von etwa einem halben Nanometer zum Pentazen, für optimale Auflösung der einzelnen Atompositionen und deren chemischen Verbindungen.
Den Wissenschaftern gelang es ausserdem, eine vollständige dreidimensionale, topographische Abbildung der Kräfte über dem Molekül zu erstellen. "Die Datenerhebung beanspruchte mehr als 20 Stunden. Dies stellte höchste Ansprüche an die thermische und mechanische Stabilität unseres Systems, um zu gewährleisten, dass die Spitze und das Molekül während der gesamten Zeit unverändert blieben", beschreibt Fabian Mohn, Doktorand bei IBM Research - Zürich.
Theoretische Rechnungen, durchgeführt von IBM Forscher Nikolaj Moll, bestätigten die experimentellen Ergebnisse und gaben Aufschluss über die genaue Natur des Abbildungsmechanismus. Nikolaj Moll erklärt hierzu: "Die Berechnungen zeigten, dass die so genannte Pauli-Abstossung zwischen dem CO-Molekül an der Spitze und dem Pentazen für den atomaren Kontrast verantwortlich ist." Diese abstossende Kraft geht auf einen quantenmechanischen Effekt zurück, der verhindert, dass sich zwei identische Elektronen zu stark aneinander annähern.
Die wissenschaftliche Arbeit von L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth und G. Meyer mit dem Titel "The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy" erschien in Science, Vol. 325, Nr. 5944, S. 1110 - 1114 (28. August 2009).
