q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Ultrahochauflösendes 3D-Mikroskopieverfahren für elektrische Felder entwickelt

Auf den Quantenpunkt gebracht

Forschungszentrum Jülich

Ein einzelnes Silberatom auf einer Silberunterlage (Ag(111)) unter dem Raster-Quantenpunkt-Mikroskop.

Forschungszentrum Jülich

Links: In der Raster-Quantenpunkt-Mikroskopie-Aufnahme eines PTCDA-Moleküls werden sowohl die negativen Teilladungen an den Molekülenden als auch die positiven Teilladungen im Zentrum sichtbar. Mitte: Simuliertes elektrisches Potenzial über einem PTCDA-Molekül mit Molekülstruktur. Rechts: Schematische Darstellung der Ladungsverteilung im PTCDA-Molekül

Forschungszentrum Jülich

Veranschaulichung des Messprinzips: In Abhängigkeit vom lokalen elektrischen Potenzialfeld einer Nanostruktur auf der Probenoberfläche springt ein einzelnes Elektron von der Mikroskop-Spitze auf das Sensor-Molekül oder zurück.

09.07.2015: Mit einem einzelnen Molekül als Sensor ist es Jülicher Wissenschaftlern gelungen, elektrische Potenzialfelder in bisher unerreichter Präzision abzubilden. Die ultrahochaufgelösten Aufnahmen geben Aufschluss über die Verteilung von Ladungen in der Elektronenhülle einzelner Moleküle und sogar Atome. Die Methode arbeitet berührungsfrei und in 3D. Erste Ergebnisse der als Raster-Quantenpunkt-Mikroskopie bezeichneten Technik sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Die Publikation wurde als "Editor's suggestion" ausgewählt und in einem Viewpoint-Artikel im Fachportal Physics kommentiert. Das Verfahren ist für vielfältige wissenschaftliche Bereiche relevant, beispielsweise für die Erforschung von Biomolekülen und Halbleitermaterialien.

"Mit unserer Methode lassen sich elektrische Felder in der Nähe einer Probenoberfläche erstmals mit atomarer Genauigkeit im Sub-Nanometer-Bereich quantitativ erfassen", erläutert Dr. Ruslan Temirov vom Forschungszentrum Jülich. Solche elektrischen Felder umgeben alle Nanostrukturen wie eine Art Aura. Ihre Eigenschaften geben beispielsweise Aufschluss über die Verteilung von Ladungen in Atomen oder Molekülen.

Für die Messung nutzten die Jülicher Forscher ein Rasterkraftmikroskop. Dessen Funktionsweise ähnelt dem eines Plattenspielers: die Spitze fährt über die Probe und erstellt so Stück für Stück eine zusammenhängende Darstellung der Oberfläche. Um elektrische Felder zu erfassen, verwendeten Wissenschaftler bislang den ganzen vorderen Teil der Abtast-Spitze als sogenannte Kelvin-Sonde. Doch das ungleiche Größenverhältnis von Spitze und Probe hat ungünstige Folgen für das Auflösungsvermögen: Wäre ein einzelnes Atom so groß wie ein Stecknadelkopf, so wäre die Mikroskop-Spitze so groß wie das Empire State Building.

Einzelnes Molekül als Sensor

Um die Auflösung und Empfindlichkeit zu verbessern, haben die Jülicher Wissenschaftler ein einzelnes Molekül als Quantenpunkt an die Spitze des Mikroskops geheftet. Quantenpunkte sind winzige Strukturen im Bereich weniger Nanometer, die aufgrund von Quanteneffekten nur ganz bestimmte, diskrete Zustände annehmen können, vergleichbar mit den Energieniveaus eines einzelnen Atoms.

Die Funktion des Quantenpunkts an der Mikroskopspitze gleicht der einer Balkenwaage, die sich mal zur einen, mal zur anderen Seite bewegt. Ein Ausschlag in die eine oder andere Richtung entspricht dabei der An- oder Abwesenheit eines zusätzlichen Elektrons, das entweder von der Spitze auf das Molekül herüber springt, oder eben nicht. Die "Molekül-Waage" vergleicht auf diese Weise keine Gewichte, sondern zwei elektrische Felder, die auf das bewegliche Elektron des molekularen Sensors einwirken: auf der einen Seite das Feld einer Nanostruktur, das gemessen werden soll, und auf der anderen ein weiteres Feld, das die – unter Spannung stehende – Spitze des Mikroskops umgibt.

"Die Spannung an der Spitze wird jeweils so lange variiert, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Kennt man die angelegte Spannung, kennt man auch das Feld der Probe an der Position des Moleküls", erklärt Dr. Christian Wagner, Wissenschaftler in Temirovs Nachwuchsgruppe am Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-3). "Weil die gesamte ‚Molekül-Waage‘ so klein ist und aus nur 38 Atomen besteht, können wir ein sehr scharfes Bild vom elektrischen Feld der Probe machen; ähnlich einer Kamera mit besonders kleinen Pixeln."

Universell einsetzbar

Die zum Patent angemeldete Methode eignet sich insbesondere zur Vermessung rauer Oberflächen, beispielsweise von Halbleiterstrukturen für elektronische Bauelemente oder stark gefalteter Biomoleküle. "Bei der Raster-Quantenpunkt-Mikroskopie kann, anders als bei vielen anderen Formen der Rastersondenmikroskopie, auch über eine Distanz von mehreren Nanometern gemessen werden. In der Nanowelt ist das eine ziemlich weite Entfernung", berichtet Christian Wagner. Bislang ist die in Jülich entwickelte Methode allerdings auf Anwendungen im Hochvakuum und auf tiefe Temperaturen beschränkt: Voraussetzungen, die notwendig sind, um das einzelne Molekül kontrolliert an die Spitze des Mikroskops zu koppeln.

"Im Prinzip sind aber auch andere Ausführungen denkbar, die bei Raumtemperatur funktionieren", schätzt der Jülicher Physiker. Anstelle eines Sensor-Moleküls könnten nämlich auch andere Formen von Quantenpunkten zum Einsatz kommen, die sich mit Halbleitermaterialien realisieren lassen: beispielsweise Quantenpunkte aus Nanokristallen, wie sie in der Grundlagenforschung bereits verwendet werden.

Originalveröffentlichung:
C. Wagner, M. F. B. Green, P. Leinen, T. Deilmann, P. Krüger, M. Rohlfing, R. Temirov, and F. S. Tautz "Scanning Quantum Dot Microscopy", Phys. Rev. Lett. 115, 026101 (2015), published online 6 July 2015

Fakten, Hintergründe, Dossiers

Mehr über Forschungszentrum Jülich

  • News

    Neuer Hinweis auf Zusammenhang zwischen Alzheimer und Diabetes

    Krankhaft verklumpte Eiweiße sind für eine ganze Reihe von Erkrankungen charakteristisch, unter anderem Alzheimer, Parkinson und der verbreitete Typ-2-Diabetes. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und der Universität Maastricht haben mitt ... mehr

    Kavli-Preis für Wegbereiter der modernen Elektronenmikroskopie

    Der Kavli-Preis für Nanowissenschaften geht in diesem Jahr an Prof. Knut Urban vom Forschungszentrum Jülich. Der Wissenschaftler, ehemals Direktor des Instituts für Mikrostrukturforschung sowie des Ernst Ruska-Centrums für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C), erhält die Ausz ... mehr

    Rastertunnelmikroskop zeigt Magnetismus in atomarer Auflösung

    Wissenschaftler aus Frankreich, Spanien und Deutschland haben einen Durchbruch bei der Vermessung magnetischer Strukturen erzielt. Den Forschern der Universität Straßburg sowie der Forschungszentren in San Sebastián und Jülich ist es gelungen, die magnetischen Momente bis auf die atomare Eb ... mehr

  • q&more Artikel

    Makromolekulare Umgebungen beeinflussen Proteine

    Eine intensive Wechselwirkung von Proteinen mit anderen Makromolekülen kann wichtige Eigenschaften von Proteinen wie z. B. die Translationsbeweglichkeit oder den Konformationszustand signifi kant verändern. mehr

    Koffein-Kick

    Koffein ist die weltweit am weitesten verbreitete psycho­aktive Substanz. Sie findet sich als Wirkstoff in Getränken wie Kaffee, Tee und sog. Energy Drinks. Koffein kann Vigilanz und Aufmerksamkeit erhöhen, Schläfrigkeit reduzieren und die kognitive Leistungsfähigkeit steigern. Seine neurob ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jörg Fitter

    Jg. 1963, studierte Physik an der Universität Hamburg. Nach seiner Promotion an der FU Berlin war er im Bereich der Neutronenstreuung und der molekularen Biophysik am HahnMeitnerInstitut in Berlin und am Forschungszentrum Jülich tätig. Er habilitierte sich in der Physikalischen Biologie der ... mehr

    Dr. David Elmenhorst

    David Elmenhorst, geb. 1975, studierte Medizin in Aachen und promovierte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln im Bereich der Schlafforschung. 2008/2009 war er Gastwissenschaftler am Brain Imaging Center des Montreal Neuro­logical Institut in Kanada. Seit 2003 ist er in der A ... mehr

    Prof. Dr. Andreas Bauer

    Andreas Bauer, geb. 1962, studierte Medizin und Philo­sophie in Aachen, Köln und Düsseldorf, wo er auf dem Gebiet der Neurorezeptorautoradiografie promovierte. Seine Facharztausbildung absolvierte er an der Universitätsklinik Köln, er habilitierte an der Universität Düsseldorf im Fach Neuro ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:

 

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.