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Rastertunnelmikroskopie mit Wasserstoff

Ein gezielt eingesetztes Wasserstoffmolekül erhöht die Auflösung herkömmlicher Rastertunnelmikroskope

Ein Wasserstoffmolekül, das sich an der Spitze der Messnadel eines Rastertunnelmikroskops anheftet und dort - im Kontakt mit der jeweiligen Probe - wie ein hochempfindlicher Fühler wirkt: Das ist, vereinfacht gesagt, die Funktionsweise der von Jülicher Forschern entwickelten "Scanning Tunnelling Hydrogen Microscopy" (STHM). Sie verhilft Wissenschaftlern zu noch detaillierteren Bildern im Nanometerbereich und ermöglicht mit einer relativ einfachen Erweiterung vorhandener Technologien erstmals den Blick in das Innere von organischen Molekülen. Wo bisher nur verschwommene wolkenartige Bilder zu sehen waren, können Forscher nun Molekülstrukturen erkennen.

Für den Blick in die Nanowelt nutzen Jülicher Forscher unter anderem verschiedene Rastertunnelmikroskope. Deren dünne Metallspitzen fahren wie die Nadel eines Plattenspielers über die Probenfläche und registrieren mittels kleinster elektrischer Ströme die atomaren Unebenheiten und Unterschiede von rund einem Nanometer (einem Milliardstel Meter). Die Funktionsweise – will heißen der herkömmlichen Rastertunnelmikroskopie (STM) – beruht auf dem quantenmechanischen Tunneleffet: Führt man eine metallische Spitze sehr nah an eine Oberfläche heran, können Elektronen aus der Spitze durch die Vakuumbarriere hindurch in die Probe tunneln. Wird dabei eine Spannung angelegt, entsteht ein deutlich messbarerer Tunnelstrom, der Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Probe zulässt - denn der Strom ist abhängig von der elektronischen Struktur der Probe. Dieses Verfahren erlaubt es zum Beispiel, Halbleiteroberflächen bis auf atomare Ebene sichtbar zu machen. Die innere atomare Struktur von komplexen Molekülen hingegen kann mit der herkömmlichen Rastertunnelmikroskopie nicht erfasst werden.

Ein Molekül aus zwei schweren Wasserstoffatomen – dem sogenannten Deuterium – kann hier Abhilfe schaffen, wie Jülicher Forscher um Prof. Stefan Tautz und Dr. Ruslan Temirov entdeckten: Das Deuterium an der Messnadel des Mikroskops wirkt als Sensor an der Probenoberfläche. Da es sehr beweglich an der Spitze hängt, kann es den Konturen folgen. Dies beeinflusst die Ströme, die über die Mikroskopspitze fließen. Das ist, als hätte man die hochsensible Nadel selbst noch einmal mit einem Fühler versehen - die Auflösung eines Rastertunnelmikroskops wird dadurch sehr stark erhöht.

Als eines der ersten Moleküle untersuchten die Wissenschaftler die Verbindung Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA). Sie besteht aus 26 Kohlenstoff-, acht Wasserstoff- und sechs Sauerstoffatomen, die sieben zusammenhängende Ringe bilden. In bisherigen rastertunnelmikroskopischen Aufnahmen mit reinen Metallspitzen wird es nur als rund ein Nanometer großer konturloser Fleck abgebildet. Das Jülicher Verfahren lässt – wie auf einer Röntgenaufnahme – die innere, wabenartige atomare Struktur erkennen, die von den Ringen gebildet wird.


Normalerweise sind Fremdstoffe bei Messungen am Rastertunnel-Mikroskop unerwünscht; ein starkes Vakuum sorgt bei minus 260 Grad Celsius für eine absolut saubere, störungsfreie Umgebung. Glücklicherweise reichen winzige Mengen, die sich auf der Probe und der eiskalten Spitze anheften, um den Lupen-Effekt zu erzielen. Anhand computergestützter Berechnungen in Kooperation mit der Arbeitsgruppe um Prof. Michael Rohlfing von der Universität Osnabrück entwickelten die Wissenschaftler eine quantenmechanische Theorie zur Funktionsweise: Demnach ist die kurzreichweitige sogenannte Pauli-Abstoßung für den Effekt verantwortlich. Diese ist eine quantenphysikalische Kraft zwischen Deuterium und Molekül, die die Leitfähigkeit moduliert und es erlaubt, sehr sensitiv die feinen Strukturen zu messen.

Spektakulär ist die Entdeckung der Forscher am Jülicher Peter-Grünberg-Institut insofern, als sich die daraus entstandene Methode einfach mit kommerziellen Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopen koppeln lässt, und die Präparation der Proben weitgehend auf Standardverfahren beruht.

Das Jülicher STHM-Verfahren kann eingesetzt werden, um die atomare Struktur von flachen Molekülen zu vermessen, die als organische Halbleiter oder als Teil von zukünftigen, schnellen und effizienten elektronischen Bauelementen verwendet werden könnten. Aber auch große dreidimensionale Biomoleküle wie Proteine könnten untersucht werden, wenn die Methoden noch verfeinert werden.


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