News: Platztausch
Es ist immer wieder erstaunlich, wenn uns Forscher auf nahezu spielerische Art und Weise zeigen, wie sie einzelne Atome auf einer Oberfläche hin- und herschieben und nahezu an beliebigem Ort deponieren. Und offenbar funktioniert das längst nicht nur bei Metallen.
© (Ausschnitt)
Top down oder bottom up – zwei Ansätze verfolgen Wissenschaftler, um Strukturen für winzige Schaltkreise und Nanomaschinen zu erzeugen. Während die einen versuchen, bereits vorhandene mikroskopische Strukturen immer weiter zu verkleinern, fangen die anderen bei den Atomen an und probieren diese so zu arrangieren, dass sich das gewünschte Objekt ergibt. Welche Methode letztlich das Rennen macht, ist noch völlig offen und hängt sicherlich entscheidend von dem jeweiligen Anwendungsgebiet ab.
Eindrucksvoll sind die Resultate ohnehin, einerlei welcher Ansatz gewählt wurde. So beglückten uns vor einigen Jahren Wissenschaftler von IBM mit einem atomaren Käfig für Elektronen. Zumindest könnte man auf diese Weise die Stonehenge-artige Struktur beschreiben, welche die Forscher aus Eisenatomen auf einem Kupfersubstrat Atom für Atom mit einem Rastertunnelmikroskop (scanning tunneling microscope, STM) zusammensetzten. Das runde Gehege war dabei so klein, dass die Elektronen an der Oberfläche des Metalls stehende Wellen bildeten.
So gut das Atomeschieben mit metallischen Elementen funktioniert, so störrisch zeigen sich jedoch Halbleiter oder gar nicht leitende Elemente unter der feinen Nadel des Mikroskops. Der Grund: Die kristallinen Materialien halten so stark zusammen, dass mit der Mikroskopspitze kaum etwas auszurichten ist. Taugt das STM also nicht für die atomare Manipulation solcher Elemente?
Steven Schofield, Michelle Simmons und Kollegen der University of New South Wales in Sydney haben einen Ausweg aus der Misere gefunden. Zwar ist die Methode ein wenig aufwändiger als das bloße Hin- und Herschieben mit der Mikroskopnadel, aber dafür ist sie vermutlich auch vielseitiger.
Alles beginnt mit der richtigen Vorbehandlung: Dazu lassen die Wissenschaftler zunächst Wasserstoff an eine Siliciumoberfläche binden, bis diese weitgehend mit dem Element gesättigt ist. Dann kommt das STM ins Spiel. Mit ihm werden nun selektiv an bestimmten Stellen Wasserstoffatome entfernt. Anschließend setzen Schofield und Co das Substrat dem farblosen Gas Phosphin (PH3) aus, wobei jetzt der Phosphorwasserstoff die freien Plätze auf dem Silicium besetzt. Zum Schluss ist nur noch eine Wärmebehandlung bei 350 Grad Celsius nötig, damit die Phosphin-Moleküle zerfallen und der Phosphor mit dem darunter liegenden Silicium die Plätze tauscht.
Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler nicht nur einzelne Phosphoratome in der Siliciumoberfläche unterbringen, es gelang ihnen auch, Linien zu ziehen oder gar ganze Flächen mit dem neuen Element zu besetzen. Entsprechend begeistert zeigen sich denn auch andere Forscher von der neuen Methode. Chris Hammel von der Ohio State University in Columbus denkt bereits an einzelne Phosphoratome, die als Qubits für einen Quantencomputer dienen könnten. Greifbarer scheint jedoch die Möglichkeit, Silicium Atom für Atom auch durch andere Elemente ersetzen zu können. Brauchbare Anwendungen ergeben sich damit sicherlich zur Genüge.
Eindrucksvoll sind die Resultate ohnehin, einerlei welcher Ansatz gewählt wurde. So beglückten uns vor einigen Jahren Wissenschaftler von IBM mit einem atomaren Käfig für Elektronen. Zumindest könnte man auf diese Weise die Stonehenge-artige Struktur beschreiben, welche die Forscher aus Eisenatomen auf einem Kupfersubstrat Atom für Atom mit einem Rastertunnelmikroskop (scanning tunneling microscope, STM) zusammensetzten. Das runde Gehege war dabei so klein, dass die Elektronen an der Oberfläche des Metalls stehende Wellen bildeten.
So gut das Atomeschieben mit metallischen Elementen funktioniert, so störrisch zeigen sich jedoch Halbleiter oder gar nicht leitende Elemente unter der feinen Nadel des Mikroskops. Der Grund: Die kristallinen Materialien halten so stark zusammen, dass mit der Mikroskopspitze kaum etwas auszurichten ist. Taugt das STM also nicht für die atomare Manipulation solcher Elemente?
Steven Schofield, Michelle Simmons und Kollegen der University of New South Wales in Sydney haben einen Ausweg aus der Misere gefunden. Zwar ist die Methode ein wenig aufwändiger als das bloße Hin- und Herschieben mit der Mikroskopnadel, aber dafür ist sie vermutlich auch vielseitiger.
Alles beginnt mit der richtigen Vorbehandlung: Dazu lassen die Wissenschaftler zunächst Wasserstoff an eine Siliciumoberfläche binden, bis diese weitgehend mit dem Element gesättigt ist. Dann kommt das STM ins Spiel. Mit ihm werden nun selektiv an bestimmten Stellen Wasserstoffatome entfernt. Anschließend setzen Schofield und Co das Substrat dem farblosen Gas Phosphin (PH3) aus, wobei jetzt der Phosphorwasserstoff die freien Plätze auf dem Silicium besetzt. Zum Schluss ist nur noch eine Wärmebehandlung bei 350 Grad Celsius nötig, damit die Phosphin-Moleküle zerfallen und der Phosphor mit dem darunter liegenden Silicium die Plätze tauscht.
Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler nicht nur einzelne Phosphoratome in der Siliciumoberfläche unterbringen, es gelang ihnen auch, Linien zu ziehen oder gar ganze Flächen mit dem neuen Element zu besetzen. Entsprechend begeistert zeigen sich denn auch andere Forscher von der neuen Methode. Chris Hammel von der Ohio State University in Columbus denkt bereits an einzelne Phosphoratome, die als Qubits für einen Quantencomputer dienen könnten. Greifbarer scheint jedoch die Möglichkeit, Silicium Atom für Atom auch durch andere Elemente ersetzen zu können. Brauchbare Anwendungen ergeben sich damit sicherlich zur Genüge.
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