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 Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter
23.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Materialwissenschaft: Widerstand wächst auch im Vakuum
22.06.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Digital Mobility“– 48 Mio. Euro für die Entwicklung des digitalen Fahrzeuges

26.06.2017 | Förderungen Preise

Fahrerlose Transportfahrzeuge reagieren bald automatisch auf Störungen

26.06.2017 | Verkehr Logistik

Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit

26.06.2017 | Physik Astronomie