Sichtbare Atome 17.06.2013, 15:17 Uhr

qPlus Sensor: Aus Frequenzen werden Bilder

Mit Sensoren aus Quarzuhren haben Regensburger Forscher ein Mikroskop gebaut, das die Strukturen von Oberflächen in einmaliger Auflösung liefert.

Der "qPlus Sensor" basiert auf einer Stimmgabel aus Quarz für höchstauflösende Rasterkraftmikroskopie.

Der "qPlus Sensor" basiert auf einer Stimmgabel aus Quarz für höchstauflösende Rasterkraftmikroskopie.

Foto: Uni Regensburg

Wo genau sitzen die Atome in einem Kristallgitter? Wenn man die Antwort findet, lässt sich beispielsweise ein neuer Katalysator entwickeln, der einen bestimmten Prozess mit weit weniger Energie und viel schneller auslöst. Forscher der Universität Regensburg haben jetzt eine Technik entwickelt, mit der sich die Oberflächen von nicht-metallischen Proben mit bisher nie realisierter Schärfe darstellen lassen. Da bleibt kein Atom verborgen.

Erstes experimentelles Bild, in dem inneratomare Strukturen abgebildet werden.

Erstes experimentelles Bild, in dem inneratomare Strukturen abgebildet werden.

Quelle: Uni Regensburg

Wie bei einem Rasterkraftmikroskop setzt das Team um den Physiker Professor Franz J. Giessibl eine Sonde ein, deren Spitze praktisch aus einem einzigen Atom besteht. Diese ist an einem Quarzbalken befestigt, der mit einer bestimmten Frequenz schwingt – vergleichbar dem Quarzkristall in besonders genau gehenden Uhren.

Diese Spitze führen die Physiker in einem engen Raster über die Probe. Getreulich fährt sie die Oberfläche ab, die aus heraus ragenden Atomen und Tälern zwischen ihnen besteht. Bei Molekülen sind es Atome unterschiedlicher Größe. Je nachdem, wie groß der Druck auf die Messspitze ist – an den erhabenen Atomen ist er größer als in den Tälern – ändert sich die Frequenz des Schwingbalkens.

Dadurch ändert sich auf Grund des piezoelektrischen Effekts auch der darin fließende Strom. Daraus errechnet eine Software die Struktur der Oberfläche. Auf den errechneten Bildern sind nicht nur die einzelnen Atome erkennbar, sondern auch Strukturen in ihrer Oberfläche.

Die Stimmgabeln aus Quarz stammen aus Swatch-Uhren.

Die Stimmgabeln aus Quarz stammen aus Swatch-Uhren.

Quelle: Uni Regensburg

qPlus-Sensor nennen die Forscher die Stimmgabeln aus Quarz, die mit einer Frequenz von zwei Billionen Kilohertz schwingen. Sie stammen aus Swatch-Uhren. Leicht umgebaut werden sie zu Trägern der Messspitzen.

Der Vorteil der neuen Technik: Sie funktioniert, wie das gängige Rasterkraftmikroskop, in ganz normalen Umgebungen, ermöglicht aber eine höhere Auflösung. Ähnliche Präzision lässt sich sonst nur mit Messungen im Vakuum oder bei tiefen Temperaturen erreichen.

Die dritte Generation

Die Nobelpreisträger Gerd Binnig und Heinrich Rohrer waren die ersten, die den Traum der Menschheit, zumindest der wissenschaftlich orientierten, verwirklichten. Sie machten Oberflächen mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie im atomaren Bereich sichtbar. Das funktionierte nur mit metallischen Proben. Mit dem Rasterkraftmikroskop ließen sich auch Oberflächen von nicht elektrisch leitenden Werkstoffen abbilden. Bei dieser Technik sitzt die Messpitze auf einem Balken, dessen Bewegungen beim Abfahren der Oberfläche optisch oder kapazitiv gemessen wird. Die Regensburger setzen erstmals auf Frequenzänderungen.  Damit haben sie gewissermaßen die dritte Generation entwickelt.

  • Wolfgang Kempkens

    Wolfgang Kempkens studierte an der RWTH Aachen Elektrotechnik und schloss mit dem Diplom ab. Er arbeitete bei einer Tageszeitung und einem Magazin, ehe er sich als freier Journalist etablierte. Er beschäftigt sich vor allem mit Umwelt-, Energie- und Technikthemen.

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