Das Quantenpunkt-Mikroskop

Neues Verfahren misst elektrische Potenziale bis auf ein Atom genau
Aufnahme eines Rastertunnel-Mikroskops (links) und eines Raster-Quantenpunkt-Mikroskops (rechts). Mit Rastertunnel-Mikroskopen lässt sich die physische Struktur einer Oberfläche atomgenau vermessen. Die Quantenpunkt-Mikroskopie kann bei ähnlicher Detailtiefe die elektrischen Potenziale auf der Oberfläche abbilden.
Aufnahme eines Rastertunnel-Mikroskops (links) und eines Raster-Quantenpunkt-Mikroskops (rechts). Mit Rastertunnel-Mikroskopen lässt sich die physische Struktur einer Oberfläche atomgenau vermessen. Die Quantenpunkt-Mikroskopie kann bei ähnlicher Detailtiefe die elektrischen Potenziale auf der Oberfläche abbilden.
© FZJ / NPG
Jülich - Mit modernen Mikroskopen können Oberflächen bis auf ein Atom genau sichtbar gemacht werden. Deutsche Physiker gehen nun mit einem neuen Verfahren einen Schritt weiter und bestimmen sogar die elektrischen Potenziale von Atomen und Molekülen mit einer vergleichbaren Genauigkeit. In der Fachzeitschrift „Nature Materials“ stellen sie ihr Quantenpunkt-Mikroskop vor, mit dem sich scharfe Bilder der elektrischen Potenziale einer Probe mit hunderten Molekülen schnell binnen einer Stunde gewinnen lassen. Anwendungen erwarten die Forscher für die Chipfertigung oder für die Charakterisierung von Biomolekülen.

Der Schlüssel zum Erfolg dieser neuen Mikroskopie-Methode liegt in einem einzigen Molekül an der Spitze eines herkömmlichen Rasterkraftmikroskops. Dabei handelt es sich um ein symmetrisch aufgebautes, organisches Pigmentmolekül mit dem Namen Perylentetracarbonsäuredianhydrid oder kurz PTCDA. Dieses Molekül bildet einen so genannten Quantenpunkt und dient als Sonde für die elektrischen Potenziale von Atomen und Molekülen auf einer Oberfläche. Das Besondere daran: Die Molekülsonde wirkt wie ein Schutzschirm, der die störenden elektrischen Felder benachbarter Probenbereiche dämpft. „Der Einfluss der abgeschirmten elektrischen Felder fällt so exponentiell ab und der Quantenpunkt detektiert nur den unmittelbar umliegenden Bereich“, sagt Christian Wagner vom Peter Grünberg Institut am Forschungszentrum Jülich. „Wir können die elektrischen Felder einzelner Atome und Moleküle nicht nur sichtbar machen. Wir können diese jetzt auch präzise quantifizieren“, erläutert Wagner.

In ersten Messungen bestimmten Wagner und Kollegen die elektrischen Potenziale von Silberatomen und Kohlenmonoxid-Molekülen mit extrem hoher Genauigkeit von weniger als einem Milliardstel Meter (Nanometer). Hilfreich erwies sich dabei ein Controller für das Mikroskop, der von Ingenieuren der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg beigesteuert wurde. Damit ließ sich das Abtasten der Oberfläche mit der Quantenpunkt-Sonde automatisieren und stark beschleunigen. „Mit dem Controller der Magdeburger können wir die ganze Fläche einfach scannen, wie mit einem normalen Rasterkraftmikroskop“, sagt Wagner. Während die Jülicher Forscher bisher fünf bis sechs Stunden für ein einzelnes Molekül benötigten, konnten sie nun Probenbereiche mit hunderten Molekülen in einer Stunde abbilden.

Ein Nachteil gegenüber herkömmlichen Rasterkraftmikroskopen gibt es allerdings noch. Die Quantenpunktsonde kann bislang nur unter Vakuum und bei tiefen Temperaturen auf die Spitze des Mikroskops gesetzt werden. Rasterkraftmikroskope dagegen funktionieren auch bei Raumtemperatur. Dennoch könnte das Quantenpunkt-Mikroskop schon bald für konkrete Anwendungen getestet werden. Diese sehen Wagner und Kollegen etwa bei der Entwicklung neuer Chips, für Katalysatoren oder für die Charakterisierung komplexer Biomoleküle mit dreidimensionalen Strukturen.

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