Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rastertunnelmikroskopie: Computersimulationen schärfen Blick ins Innere der Moleküle

27.11.2014

Mit kleinen Molekülen oder Atomen an der Spitze lässt sich die Auflösung von Rastertunnelmikroskopen erheblich verbessern.

Die Bilder, die erstmals die geometrische Struktur der Moleküle zeigen, sorgen seit einigen Jahren für Aufsehen in der Wissenschaft. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Prager Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik haben mithilfe von Computersimulationen nun erstmals umfassende Einblicke in die Physik der neuen Aufnahmeverfahren gewonnen. Eines davon hatten amerikanische Wissenschaftler erstmalig im Frühjahr im Fachmagazin Science vorgestellt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen.


Modell: Molekül (grün) zwischen Spitze des Rastertunnelmikroskops (gelb) und Probenoberfläche (grau)

Quelle: Forschungszentrum Jülich


Simulation verschiedener Rastersondenmikroskop-Verfahren: dynamische Rasterkraftmikroskop-Aufnahme (l.), Rastertunnelmikroskop-Aufnahme (Mitte), inelastische Rastertunnelspektroskopie-Aufnahme (r.)

Quelle: Hapala/Temirov/Tautz/Jelínek, Physical Review Letters, Copyright 2014 by The American Physical Society (https://journals.aps.org/info/terms.html)

„Der Vergleich zwischen experimentell gewonnen Darstellungen und unseren Simulationen zeigt: Mit unserem theoretischen Modell lässt sich die Entstehung der mikroskopischen Abbildungen in sehr guter Übereinstimmung für verschiedene Techniken nachvollziehen“, erklärt Prof. Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich. „Der Abgleich ist für die Auswertung der Bilder essenziell.“

Gemeinsam mit seinen Mitarbeitern vom Peter Grünberg Institut (PGI-3) hat er 2008 erstmals die Methode eingeführt, einzelne Moleküle – zunächst Wasserstoffmoleküle oder später etwa auch Kohlenmonoxid – an die Spitze eines Rastertunnelmikroskops zu heften und als hochempfindlichen Messfühler einzusetzen. Das Verfahren stieß in Fachkreisen auf große Resonanz und wurde seitdem kontinuierlich weiterentwickelt. Rastertunnelmikroskope lassen sich so in eine Art Rasterkraftmikroskop umwandeln, mit dem sich die geometrische Struktur von Molekülen mit bis dahin unerreichter Genauigkeit abbilden lässt.

„Die Elektronenwolken von komplexen organische Moleküle erstrecken sich oft über das gesamte Molekül und verdecken so die Sicht auf die atomare Struktur“, erläutert Tautz. Flexibel gebundene Moleküle an der Spitze lassen sich daher gewinnbringend als maßgeschneiderte Sensoren und Signalwandler nutzen, um die atomare Struktur dennoch sichtbar zu machen.

Derartige atomare Sensoren haben sich in den letzten Jahren auch für die Arbeit mit Rasterkraftmikroskopen bewährt. Im Mai 2014 zeigten Wissenschaftler der University of California, Irvine, dann erstmals, dass sie sich auch in einem weiteren Abbildungsmodus, der verwandten inelastischen Rastertunnelspektroskopie, zur Signalverbesserung einsetzen lassen. Hier ist es eine Schwingung des Sensormoleküls gegen die Mikroskopspitze, die empfindlich auf das Oberflächenpotenzial der abgetasteten Probe reagiert.

„Unsere Berechnungen zeigen, dass sich diese elektrostatische Ladungsverteilung an der Oberfläche der untersuchten Moleküle direkt in den rastertunnelmikroskopischen Abbildungen niederschlägt“, erläutert Dr. Pavel Jelínek vom Institut für Physik der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik in Prag. „Die Ergebnisse sind ein wichtiger Beitrag, um die inelastische Rastertunnelspektroskopie als ergänzende Informationsquelle bei materialwissenschaftlichen Untersuchungen zu nutzen und zusätzliche Messgrößen aus den Abbildungen abzuleiten.“

Originalpublikationen:
Prokop Hapala, Ruslan Temirov, F. Stefan Tautz, Pavel Jelínek
Origin of High-Resolution IETS-STM Images of Organic Molecules with Functionalized Tips
Phys. Rev. Lett. 113, 226101 (2014) – Published 25 November 2014, DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.226101

Prokop Hapala, Georgy Kichin, Christian Wagner, F. Stefan Tautz, Ruslan Temirov, Pavel Jelínek
Mechanism of high-resolution STM/AFM imaging with functionalized tips
Phys. Rev. B 90, 085421 – Published 19 August 2014
DOI: 10.1103/PhysRevB.90.085421

Weitere Informationen:
Forschung am Peter Grünberg Institut, Bereich Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-3/EN/Home/home_node.html
Internet-Dossier: Rastertunnelmikroskopie mit Wasserstoff: http://www.fz-juelich.de/portal/DE/Forschung/it-gehirn/STHM/_node.html

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Stefan Tautz, Forschungszentrum Jülich, Peter Grünberg Institut, Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3)
Tel. 02461-61 4561
s.tautz@fz-juelich.de

Dr. Pavel Jelinek
Institute of Physics of the AS CR, Prague, Czech Republic
Tel.: +420 220 318 430
jelinekp@fzu.cz

Pressekontakt:
Tobias Schlößer, Forschungszentrum Jülich, Unternehmenskommunikation
Tel. 02461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de


Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2014/14-11-27-rastertunnelmikroskopie.html

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Fraunhofer IFAM erweitert den Forschungsbereich »Beschichtungen für Bewuchs- und Korrosionsschutz«
11.01.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Schrauben mit Köpfchen
10.01.2017 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Magnetische Kraft von einzelnen Antiprotonen mit höchster Genauigkeit bestimmt

18.01.2017 | Physik Astronomie

Löschwasser mobil und kosteneffizient reinigen

18.01.2017 | Verfahrenstechnologie

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten