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Festkörperphysik: Kraftmikroskop löst Details einzelner Metallatome auf

Elektronenwolken | Die Elektronenwolken eines Wolfram-Atoms in rund 200 000 000facher Vergrößerung
Forscher der Universität Augsburg erzielten mit einer Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie ein Auflösungsvermögen von 77 Picometern und konnten damit teilweise die elektronische Ladungsverteilung eines einzelnen Wolfram-Atoms abbilden. So ließen sich von den acht Elektronenwolken, die Wolfram-Atome im kubisch raumzentrieten Gitter ausbilden, vier Wolken an der Kristalloberfläche beobachten.

Federbalken | Oben links ist die Wolframspitze des Rasterkraftmikroskops am Ende des Federbalkens zu erkennen.
In einem Rasterkraftmikroskop werden die zu untersuchenden Proben mit einer sehr feinen Spitze mechanisch abgetastet. Dabei wird aus der räumlichen Variation der Kräfte zwischen Probe und Spitze das Mikroskopiebild gewonnen. Um eine möglichst hohe Auflösung zu erzielen, verwendeten Stefan Hembacher, Franz Giessibl und Jochen Mannhart mit Kohlenstoff ein vergleichsweise kleines, leichtes Atom als atomare Sonde. Da Graphitkristalle eben sind, drehten die Wissenschaftler die Rolle von Sonde und Probe um: Das aus einer scharfen Wolframspitze herausragende letzte Atom wurde von einem Kohlenstoffatom einer Graphitoberfläche abgebildet.

Vakuumkammer | Das Rasterkraftmikroskop in der Schall- und Feldisolierten Vakuumkammer
Die zwischen Spitze und Probe wirkende Kraft wurde hierbei nicht wie sonst üblich durch die statische Durchbiegung oder die Frequenzänderung eines schwingenden Federbalkens gemessen, sondern anhand der Oberschwingungen des Federbalkens bestimmt. Auf diese Weise ließ sich allein der Kraftbeitrag des vordersten Wolfram-Atoms messen. Zudem fanden die Untersuchungen bei einer Temperatur von nur 5 Kelvin im Ultrahochvakuum statt, und das Mikroskop war auf einem 30 Tonnen schweren Fundament fixiert, um Schwingungen zu dämpfen. Externe Störungen wie etwa Schall und elektromagnetische Störfelder wurden durch eine metallische Schallschutzkammer isoliert.

Bereits im Jahr 2000 konnte die Augsburger Forschergruppe mit ihrem Mikroskop Strukturen innerhalb einzelner Silizium-Atome ausmachen. Im neuen Experiment ist die räumliche Auflösung nun verdreifacht, zudem ließ sich erstmals der kovalente Bindungscharakter in einem Metall abbilden.

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