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Rastertunnelmikroskopie: Computersimulationen schärfen Blick ins Innere der Moleküle

Jülich, 27. November 2014 – Mit kleinen Molekülen oder Atomen an der Spitze lässt sich die Auflösung von Rastertunnelmikroskopen erheblich verbessern. Die Bilder, die erstmals die geometrische Struktur der Moleküle zeigen, sorgen seit einigen Jahren für Aufsehen in der Wissenschaft. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Prager Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik haben mithilfe von Computersimulationen nun erstmals umfassende Einblicke in die Physik der neuen Aufnahmeverfahren gewonnen. Eines davon hatten amerikanische Wissenschaftler erstmalig im Frühjahr im Fachmagazin Science vorgestellt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen.

"Der Vergleich zwischen experimentell gewonnen Darstellungen und unseren Simulationen zeigt: Mit unserem theoretischen Modell lässt sich die Entstehung der mikroskopischen Abbildungen in sehr guter Übereinstimmung für verschiedene Techniken nachvollziehen", erklärt Prof. Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich. "Der Abgleich ist für die Auswertung der Bilder essenziell."

Gemeinsam mit seinen Mitarbeitern vom Peter Grünberg Institut (PGI-3) hat er 2008 erstmals die Methode eingeführt, einzelne Moleküle – zunächst Wasserstoffmoleküle oder später etwa auch Kohlenmonoxid – an die Spitze eines Rastertunnelmikroskops zu heften und als hochempfindlichen Messfühler einzusetzen. Das Verfahren stieß in Fachkreisen auf große Resonanz und wurde seitdem kontinuierlich weiterentwickelt. Rastertunnelmikroskope lassen sich so in eine Art Rasterkraftmikroskop umwandeln, mit dem sich die geometrische Struktur von Molekülen mit bis dahin unerreichter Genauigkeit abbilden lässt.

"Die Elektronenwolken von komplexen organischen Molekülen erstrecken sich oft über das gesamte Molekül und verdecken so die Sicht auf die atomare Struktur", erläutert Tautz. Flexibel gebundene Moleküle an der Spitze lassen sich daher gewinnbringend als maßgeschneiderte Sensoren und Signalwandler nutzen, um die atomare Struktur dennoch sichtbar zu machen.

Derartige atomare Sensoren haben sich in den letzten Jahren auch für die Arbeit mit Rasterkraftmikroskopen bewährt. Im Mai 2014 zeigten Wissenschaftler der University of California, Irvine, dann erstmals, dass sie sich auch in einem weiteren Abbildungsmodus, der verwandten inelastischen Rastertunnelspektroskopie, zur Signalverbesserung einsetzen lassen. Hier ist es eine Schwingung des Sensormoleküls gegen die Mikroskopspitze, die empfindlich auf das Oberflächenpotenzial der abgetasteten Probe reagiert.

"Unsere Berechnungen zeigen, dass sich diese elektrostatische Ladungsverteilung an der Oberfläche der untersuchten Moleküle direkt in den rastertunnelmikroskopischen Abbildungen niederschlägt", erläutert Dr. Pavel Jelínek vom Institut für Physik der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik in Prag. "Die Ergebnisse sind ein wichtiger Beitrag, um die inelastische Rastertunnelspektroskopie als ergänzende Informationsquelle bei materialwissenschaftlichen Untersuchungen zu nutzen und zusätzliche Messgrößen aus den Abbildungen abzuleiten."


Simulierte dynamische Rasterkraftmikroskop-Aufnahme

Simulierte Rastertunnelmikroskop-Aufnahme

Simulierte inelastische Rastertunnelspektroskopie-Aufnahme

Quelle: Hapala/Temirov/Tautz/Jelínek, Physical Review Letters, Copyright 2014 by The American Physical Society (https://journals.aps.org/info/terms.html, Veröffentlichung mit Quellenangabe im Kontext der Berichterstattung über das Forschungszentrum Jülich erlaubt)

Links: Simulierte dynamische Rasterkraftmikroskop-Aufnahme
Bei dieser Technik fährt die Mikroskopspitze über die Oberfläche der Probe (hier: eines Co-Phthalocyanin-Moleküls). Währenddessen wird der Kraftgradient, d. h. die Veränderung der Kraft mit dem Abstand zwischen Spitze und Probe, gemessen.

Mitte: Simulierte Rastertunnelmikroskop-Aufnahme
Bei dieser Technik fährt die Mikroskopspitze über die Oberfläche der Probe (hier: eines Co-Phthalocyanin--Moleküls) und misst den resultierenden Stromfluss zwischen Spitze und Probe, den sogenannten Tunnelstrom.

Rechts: Simulierte inelastische Rastertunnelspektroskopie-Aufnahme
Bei dieser Technik fährt die Mikroskopspitze über die Oberfläche der Probe (hier: eines Co-Phthalocyanin--Moleküls) und erfasst Veränderungen in der Schwingungsfrequenz des Sensormoleküls gegen die Mikroskopspitze.

Originalpublikationen:

Prokop Hapala, Ruslan Temirov, F. Stefan Tautz, Pavel Jelínek
Origin of High-Resolution IETS-STM Images of Organic Molecules with Functionalized Tips
Phys. Rev. Lett. 113, 226101 (2014) – Published 25 November 2014, DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.226101

Prokop Hapala, Georgy Kichin, Christian Wagner, F. Stefan Tautz, Ruslan Temirov, Pavel Jelínek
Mechanism of high-resolution STM/AFM imaging with functionalized tips
Phys. Rev. B 90, 085421 – Published 19 August 2014
DOI: 10.1103/PhysRevB.90.085421

Weitere Informationen:

Forschung am Peter Grünberg Institut, Bereich Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3)

Dossier: Rastertunnelmikroskopie mit Wasserstoff

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Stefan Tautz, Forschungszentrum Jülich,
Peter Grünberg Institut, Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3)
Tel. 02461-61 4561
E-Mail: s.tautz@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer, Forschungszentrum Jülich, Unternehmenskommunikation
Tel. 02461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de


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