Muster wie von Geisterhand

News: Muster wie von Geisterhand

Selbstorganisation ist eine feine Sache und erinnert fast an Zauberei: Man bringt ein paar Zutaten auf einer Unterlage zusammen, wartet, und nach einiger Zeit, wie von Geisterhand gelenkt, ist die gewünschte Struktur entstanden. Einige vielversprechende Experimente konnten Wissenschaftler bereits vorführen, und theoretische Arbeiten lassen erahnen, dass es noch so manche Möglichkeit gibt, das Wachstum gezielt zu steuern. So demonstrierten Forscher nun, wie ein neues Muster im Einklang mit der Theorie entstand.

Thorsten Krome

Es gibt mittlerweile vielfältige Verfahren, Materialien im Bereich von Nanometern und kleiner zu strukturieren. Doch ist es zumeist ein recht mühseliges und langwieriges Unterfangen. So gelingt es zwar, selbst einzelne Atome von einer Substratoberfläche mit einem Rastertunnelmikroskop aufzunehmen, an anderer Stelle abzusetzen und auf diese Weise winzige Strukturen zu schaffen, doch dauert es mitunter durchaus einige Zehntel Sekunden, eine neue Stelle mit dem Mikroskop anzufahren. Und das summiert sich bei aufwändigen Strukturen.

Am besten wäre es ja, wenn das Material von selbst seinen Platz suchen würde. Selbstorganisation nennt sich dergleichen, und in manch einem Experiment ließ sich tatsächlich derartiges beobachten. Da wuchsen bizarre Muster ohne Zutun, einfach nur dadurch, dass Forscher ein Material auf einem anderen abschieden. Mittlerweile sind die Prozesse, die sich hierbei abspielen, auch von theoretischer Seite her weitgehend verstanden. Jetzt gilt es an den Parametern zu drehen, um genau die Struktur zu schaffen, die gerade gefragt ist.

Genau das taten auch Richard Plass und seine Kollegen von den Sandia National Laboratories. Die Forscher untersuchten Blei-Atome, die sie auf einer Kupferoberfläche abschieden. Zur Beobachtung diente den Wissenschaftlern ein so genanntes low-energy electron microscope (LEEM) – ein Gerät, das ähnlich wie ein Elektronenmikroskop arbeitet, wobei aber die Elektronen im LEEM mit viel geringerer kinetischer Energie auf die Probe treffen und diese nicht durchstrahlen – typischerweise beträgt die Energie nur einige Elektronenvolt. Das Instrument eignet sich vor allem dazu, Strukturen im Nanometerbereich in Echtzeit aufzulösen.

So sahen die Forscher denn auch, wie sich einzelne Inseln aus Blei, jeweils einige Dutzend Nanometer groß, auf dem Kupfer bildeten. Je mehr Blei sich auf der Oberfläche niederließ, um so größer wurde die Dichte an Inseln, bis sie schließlich zusammenwuchsen und ein streifenförmiges Muster formten. Schließlich, nachdem noch mehr Bleiatome auf der Oberfläche niedergegangen waren, blieben nur noch einige nicht bedeckte Punkte übrig – im Grunde also ein Muster, das dem anfänglichen glich und invertiert war.

Auch diese zweidimensionalen Strukturen ließen sich wie andere zuvor gut durch die Theorie beschreiben. So entstehen sie durch das Zusammenspiel von anziehender und abstoßender Wechselwirkung zwischen den Blei-Atomen untereinander und mit den Kupfer-Atomen der Oberfläche, wobei die Materialzusammensetzung und die Temperatur während des Herstellungsprozesses das endgültig Muster bestimmen. Die Forscher konnten außerdem zeigen, dass ihre Strukturen auch noch bei Raumtemperatur stabil sind, was eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, das Material einmal für kommerzielle Zwecke zu nutzen. Denkbar wäre beispielsweise, die Inselstruktur als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Quantenpunkten zu nutzen, die wiederum mit vielversprechenden optischen und elektrischen Eigenschaften aufwarten können.