Mikroskopieverfahren für E-Felder Auf den Quantenpunkt gebracht

Dr. Christian Wagner aus der Nachwuchsgruppe »Complex Transport Regimes in Low Temperature Scanning Tunnelling Microscopy« am Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich, in der das Raster-Quantenpunkt-Mikroskop entwickelt wurde.
Dr. Christian Wagner aus der Nachwuchsgruppe »Complex Transport Regimes in Low Temperature Scanning Tunnelling Microscopy« am Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich, in der das Raster-Quantenpunkt-Mikroskop entwickelt wurde.

Mit einem einzelnen Molekül als Sensor ist es Jülicher Wissenschaftlern gelungen, elektrische Potenzialfelder in bisher unerreichter Präzision abzubilden. Die ultrahochaufgelösten Aufnahmen geben Aufschluss über die Verteilung von Ladungen in der Elektronenhülle einzelner Moleküle und sogar Atome.

Die am Forschungszentrum Jülich entwickelte Raster-Quantenpunkt-Mikroskopie basiert auf einem Rasterkraftmikroskop. Dessen Funktionsweise ähnelt dem eines Plattenspielers: die Spitze fährt über die Probe und erstellt so Stück für Stück eine zusammenhängende Darstellung der Oberfläche. Um elektrische Felder zu erfassen, verwendeten Wissenschaftler bislang den ganzen vorderen Teil der Abtast-Spitze als sogenannte Kelvin-Sonde. Doch das Auflösungsvermögen wird durch den Größenunterschied von Spitze und Probe begrenzt: Wäre ein einzelnes Atom so groß wie ein Stecknadelkopf, so wäre die Mikroskop-Spitze so groß wie das Empire State Building.

Um die Auflösung und Empfindlichkeit zu verbessern, haben die Jülicher Wissenschaftler ein einzelnes Molekül als Quantenpunkt an die Spitze des Mikroskops geheftet. Quantenpunkte sind winzige Strukturen im Bereich weniger Nanometer, die aufgrund von Quanteneffekten nur ganz bestimmte, diskrete Zustände annehmen können, vergleichbar mit den Energieniveaus eines einzelnen Atoms.

Die Funktion des Quantenpunkts an der Mikroskopspitze gleicht der einer Balkenwaage, die sich mal zur einen, mal zur anderen Seite bewegt. Ein Ausschlag in die eine oder andere Richtung entspricht dabei der An- oder Abwesenheit eines zusätzlichen Elektrons, das entweder von der Spitze auf das Molekül herüber springt, oder eben nicht. Die »Molekül-Waage« vergleicht auf diese Weise keine Gewichte, sondern elektrische Felder, die auf das bewegliche Elektron des molekularen Sensors einwirken: auf der einen Seite das Feld einer Nanostruktur, das gemessen werden soll, und auf der anderen ein Feld, das durch eine an der Spitze des Mikroskops anliegenden Spannung entsteht.

Die Spannung wird variiert, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Aus der benötigten Spannung kann dann das zu messende elektrische Feld bestimmt werden. Die »Molekül-Waage« besteht aus gerade mal 38 Atomen. Daher können Bilder des elektrischen Feldes mit Genauigkeiten im Sub-Nanometer-Bereich gemacht werden (siehe Bild).

Die zum Patent angemeldete Methode eignet sich insbesondere zur Vermessung rauer Oberflächen, beispielsweise von Halbleiterstrukturen für elektronische Bauelemente oder stark gefalteter Biomoleküle. Bislang ist Methode auf Anwendungen im Hochvakuum und auf tiefe Temperaturen beschränkt. Die tiefen Temperaturen sind Voraussetzung, um das einzelne Molekül kontrolliert an die Spitze des Mikroskops zu koppeln. Prinzipiell kann die Methode aber auch bei Raumtemperatur angewendet werden: Anstelle eines Sensor-Moleküls könnten nämlich auch andere Formen von Quantenpunkten zum Einsatz kommen, die sich mit Halbleitermaterialien realisieren lassen: beispielsweise Quantenpunkte aus Nanokristallen, wie sie in der Grundlagenforschung bereits verwendet werden.

Erste Ergebnisse der Raster-Quantenpunkt-Mikroskopie sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Die Publikation wurde als »Editor's suggestion« ausgewählt und in einem Viewpoint-Artikel im Fachportal Physics kommentiert.