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Kleine Metallcluster mit subatomarer Auflösung abgebildet: Neues Verfahren mit Rasterkraftmikroskop

Metallcluster, die nur aus wenigen Eisenatomen aufgebaut sind, konnten jetzt erstmals mit subatomarer Auflösung abgebildet werden

Universität Regensburg

Kraftmikroskopie-Bild eines Clusters aus vier Eisenatomen auf einer Kupferoberfläche. Die Vertiefungen zeigen jeweils ein Atom der Kupferoberfläche mit einer Größe von 255 pm (Pikometer).

23.03.2015: Metallcluster, die nur aus wenigen Eisenatomen aufgebaut sind, konnten jetzt erstmals mit subatomarer Auflösung abgebildet werden. Forscher der Universität Regensburg und der Ludwig-Maximilians-Universität München nutzten dazu ein Rasterkraftmikroskop. Die Abbildungen der Cluster zeigen sowohl deren interne Struktur als auch die atomare Anordnung auf einer dicht gepackten Kupferoberfläche. Cluster aus Eisenatomen sind für die Entwicklung von Kleinstmagneten oder für die Abgasreinigung in Katalysatoren von großer Bedeutung.

Die Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie hat in den letzten Jahren zu enormen Fortschritten im Bereich der Nanowissenschaften geführt. Sie ermöglicht eine detaillierte Abtastung von Oberflächen. Dies geschieht allerdings nicht optisch wie bei einem Lichtmikroskop, sondern durch mechanisches Abtasten – ähnlich dem Lesen von Blindenschrift. So kann ein Rasterkraftmikroskop einzelne Atome auf einer Oberfläche sichtbar machen. Bis jetzt konnten Atome allerdings nur als einzelne Hügel ohne weitere Struktur abgebildet werden. Dasselbe galt bislang für Cluster: Hier lieferte lediglich die Höhe der Hügel Rückschlüsse über die Zahl der beinhalteten Atome.

Die Forscher um Prof. Dr. Franz J. Gießibl vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg haben nun einzelne Eisenatome und Cluster aus wenigen Eisenatomen untersucht. Die begleitende theoretische Basis für ihre Versuche haben Forscher um PD Dr. Diemo Ködderitzsch und Prof. Dr. Hubert Ebert vom Department Chemie der LMU München gelegt. So haben sie mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie auf quantenphysikalischen Grundlagen unter anderem berechnet, wie sich die Eisenatome im Cluster auf der Kupferoberfläche vorzugsweise ausrichten.

Kalkulation und Experiment bestätigten sich gegenseitig. Die neuen Aufnahmen zeigen Eisenatome als klar abgrenzbarer Ring mit drei Erhebungen. Mit dem Verfahren ist es somit möglich, die Form der Elektronenhülle jedes Atoms zu „sehen“ und auch abzuzählen, wie viele Atome in einem Cluster vorhanden sind. Zudem geben die neuen Bilder Einblicke in die Bindungssymmetrie der Eisenatome.

Gießibl gilt als Pionier der Rasterkraftmikroskopie. Er ist der Erfinder des sogenannten qPlus Sensors, einem auf einem Quarzfederbalken basierenden hochempfindlichen Sensor für die Kraftmikroskopie. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern seines Lehrstuhls arbeiten schon länger mit Forschern der LMU München im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 689 „Spinphänomene in reduzierten Dimensionen“ zusammen.

Originalveröffentlichung:
"Sub-Atomic Resolution Force Microscopy Reveals Internal Structure and Adsorption Sites of Small Iron Clusters."; Science (2015).

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