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News: Selbst ist der Cluster

Während einige Forscher nach Nanobausteinen suchen, die sich nach Belieben zusammensetzen lassen, arbeiten andere daran, ganze Strukturen geordneter Nanopartikel zu erzeugen. Doch oft genug verzweifeln sie an diesem Ziel. Jetzt überließen Wissenschaftler es den Teilchen einfach selbst, sich zu ordnen - mit Erfolg.
Seit den achtziger Jahren ist bekannt, dass sich gasförmige Metallatome zu Clustern ganz bestimmter Größe zusammenballen. Dabei halten sie so genannte magische Zahlen ein, die angeben, wieviele Atome jeweils einen dieser Cluster bilden. Später entdeckten Wissenschaftler, dass ein ähnlicher Effekt auftritt, wenn sich Metalle aus einem Gas auf festen Oberflächen ablagern. Seither versuchen Forscher, diesen Prozess so zu steuern, dass Oberflächen mit einer hohen Ordnung und einer gleichmäßigen Struktur entstehen.

Ein Forscherteam um Jian-Long Li von der Chinese Academy of Sciences benutzte nun eine äußerst glatte Siliciumoberfläche als Substrat für Cluster. Sie bedampften das Silicium mit einer Mischung der Metalle Indium, Mangan und Silber. Dabei wählten die Wissenschaftler moderate Temperaturen zwischen 100 und 200 Grad Celsius und einen geringen Teilchenstrom. Damit stellten sie sicher, dass die auf der Oberfläche ankommenden Atome genug Zeit hatten, auf dem Silicium entlangzuwandern und sich die energetisch günstigste Position auszusuchen. Somit besetzten die Cluster alle dieselben Bereiche der Silicium-Einheitszellen und ordneten sich in einer regelmäßigen Struktur an. Zur Überraschung der Wissenschaftler bedurfte es dazu noch nicht einmal einer elektrischen Aufladung der Teilchen.

Das präzise Muster entsteht allerdings nur, wenn die Mischung der Elemente stimmt. Außerdem behindert eine zu geringe Temperatur die freie Bewegung der Atome und fängt sie in der falschen Hälfte der kristallinen Elementarzelle ein. Denselben Effekt hat auch eine zu schnelle Ablagerung der Metalle. Triebkraft für die Selbstorganisation der Metalle ist die Oberflächenstruktur des Siliciums, die quasi als Schablone für die Anordnung der Cluster fungiert.

Auf einer Fläche von sechs Quadratmillimetern formierten sich 1011 identische Häufchen aus Metallatomen – die erste große Anordnung metallischer Nanocluster. Dies zeigten Bilder, welche die Forscher mit einem Rastertunnel-Mikroskop aufnahmen. Mit einer Dicke von ein bis zwei Nanometern sind die Cluster ideal für optische und elektronische Bauteile. In magnetisierter Form könnten die Nanocluster als digitales Speichermedium dienen.

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