19.10.2016 - Universität Basel

Nanodrähte als Sensoren in neuem Rasterkraftmikroskop

Mit einem neu entwickelten Rasterkraftmikroskop können Nanodrähte als winzige Sensoren eingesetzt werden – womit sich im Gegensatz zu herkömmlichen Geräten sowohl Grösse als auch Richtung von Kräften messen lassen. Dies berichten Physiker der Universität Basel und der EPF Lausanne im Fachblatt «Nature Nanotechnology».

Nanodrähte sind extrem dünne, langgestreckte Kristalle, die Molekül für Molekül aus verschiedenen Materialien aufgebaut werden können und wegen ihrer besonderen Eigenschaften zurzeit von zahlreichen Forschungsteams weltweit untersucht werden.

Die Drähte haben normalerweise einen Durchmesser von maximal 100 Nanometern und sind damit etwa tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Aufgrund ihrer winzigen Abmessungen besitzen sie eine im Vergleich zum Volumen enorm grosse Oberfläche, haben eine sehr geringe Masse und zeichnen sich durch ein fast fehlerfreies Kristallgitter aus. Nanodrähte sind daher gut geeignet, um als winzige Sensoren für biologische und chemische Proben, aber auch als Druck- oder Ladungssensoren eingesetzt zu werden.

Richtung und Grösse gemessen

Das Basler Forschungsteam um Argovia-Professor Martino Poggio vom Swiss Nanoscience Institute (SNI) und dem Departement Physik der Universität Basel zeigt nun, dass Nanodrähte auch als Sensoren in Rasterkraftmikroskopen zur Erfassung von Kräften verwendet werden können. Wegen ihrer besonderen mechanischen Eigenschaften vibrieren diese Drähte entlang zweier senkrecht zueinander stehender Achsen mit etwa derselben Frequenz. Wird nun ein Nanodraht in ein Rasterkraftmikroskop integriert, können die Forscher diese senkrecht zueinander stehenden Vibrationsänderungen, die durch verschiedene Kräfte ausgelöst werden, messen. Sie nutzen die Nanodrähte damit als winzige mechanische Kompassnadeln, die sowohl die Richtung als auch die Grösse der umgebenden Kräfte anzeigen.

Bild des zweidimensionalen Kräftefelds

Die Basler Wissenschaftler beschreiben, wie sie mit einem Nanodraht-Sensor eine strukturierte Probenoberfläche abgebildet haben. Zusammen mit Kollegen von der EPF Lausanne, welche die Nanodrähte herstellen, konnten sie das zweidimensionale Kräftefeld über der Probenoberfläche mit dem Nanodraht-Kompass abbilden. Um zu beweisen, dass das Prinzip der Messung erfolgreich ist, generierten die Forscher mithilfe von winzigen Elektroden auch Test-Kraftfelder und bildeten diese erfolgreich ab.

Die grösste technische Herausforderung war dabei, ein Gerät zu realisieren, das einen Nanodraht über der Oberfläche scannen kann und gleichzeitig seine Vibration in zwei senkrecht zueinander laufenden Richtungen beobachtet. Entwickelt wurde daher ein neuer Typ von Rasterkraftmikroskop, womit dessen vielfältiger Einsatz noch erweitert werden kann.

Rasterkraftmikroskop heute breit eingesetzt

Die Entwicklung des Rasterkraftmikroskops vor 30 Jahren wurde Anfang September 2016 mit der Verleihung des hochdotierten Kavli-Preises ausgezeichnet. Prof. Christoph Gerber von SNI und Departement Physik der Universität Basel ist einer der drei Preisträger, der mit seiner Arbeit massgeblich dazu beigetragen hat, dass diese Art von Mikroskopie aus Bereichen wie Festkörperphysik, Materialwissenschaften, Biologie und Medizin nicht mehr wegzudenken ist.

Die verschiedenen Typen von Rasterkraftmikroskopen besitzen in der Regel Federbalken aus kristallinem Silizium als mechanische Sensoren. «Wenn wir nun die deutlich kleineren Nanodrähten einsetzen, öffnet das die Tür für weitere Verbesserungen dieser enorm erfolgreichen Technik», sagt Martino Poggio.

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