Rastertunnelmikroskopie: Computersimulationen schärfen Blick ins Innere der Moleküle
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.
Modell: Molekül (grün) zwischen Spitze des Rastertunnelmikroskops (gelb) und Probenoberfläche (grau)
Forschungszentrum Jülich
"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."
Originalveröffentlichung
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
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
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