Der Blick ins Atom

So kann man sich die Graphen-Orbitale rund um eine Fehlstelle vorstellen.

Mit einem Elektronenmikroskop kann man nicht eben mal schnell ein Foto machen, wie mit der Handykamera. Ob und wie gut sich eine Struktur elektronenmikroskopisch abbilden lässt, hängt davon ab, wie gut man diese Struktur versteht.

Um die Möglichkeiten der Elektronenmikroskopie voll auszuloten, sind oft komplizierte physikalische Berechnungen nötig. Ein internationales Forschungsteam, geleitet von Prof. Peter Schattschneider von der TU Wien analysierte nun die Möglichkeiten der Mikroskopietechnik EFTEM (energiegefilterte Transmissions- elektronenspektroskopie).

Dabei konnte man zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen sogar einzelne Elektronenorbitale eines Atoms gut abgebildet werden können – die Elektronen- mikroskopie kann damit auf subatomare Größenordnung vordringen. Experimente dazu sind bereits geplant. Die Studie wurde nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Auf der Suche nach dem Orbital

Oft stellt man sich Elektronen im Atom vor wie kleine Kügelchen, die den Atomkern umkreisen wie Miniaturplaneten eine Sonne – doch dieses Bild hat mit der Wirklichkeit meist nichts zu tun. Nach den Gesetzen der Quantenphysik hat ein Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt keinen fest definierbaren Aufenthaltsort, es ist gewissermaßen über einen bestimmten Bereich in der Nähe des Atomkerns verschmiert. Diesen Bereich, in dem sich das Elektron bevorzugt aufhält, nennt man Orbital. Die Form dieser Orbitale lässt sich schon lange gut berechnen – direkt abbilden konnte man sie bisher allerdings noch nicht.

„Wir haben berechnet, auf welche Weise eine Chance bestünde, die Orbitale mit einem Elektronenmikroskop sichtbar zu machen“, sagt Stefan Löffler von der Universitären Service-Einrichtung für Transmissions-Elektronenmikroskopie der TU Wien. „Ein ausgezeichneter Kandidat dafür ist Graphen, das nur aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Der Elektronenstrahl gelangt problemlos durch das Graphen hindurch, beinahe ohne elastische Streuung. Aus ihnen kann man dann ein Bild der Graphen-Struktur erstellen.“

Das Prinzip ist als „energiegefliterte Transmissionselektronenspektroskopie“ (EFTEM) schon seit Längerem bekannt. Es kann ganz gezielt bestimmte Atomsorten sichtbar machen und andere ausblenden, daher wird es heute oft verwendet, um die chemische Zusammensetzung von Proben zu analysieren. „Die Elektronen, die durch die Probe hindurchgeschossen werden, können die Atome der Probe anregen“, erklärt Stefan Löffler. „Dabei geben sie eine für bestimmte Elektronen-Orbitale der Probe charakteristische Energie ab.“

Nach dem Durchtritt durch die Probe werden die Elektronen mit Hilfe eines magnetischen Feldes nach Energie sortiert. „Mit einer Blende werden die uninteressanten Elektronen ausgefiltert, nur jene Elektronen, welche die gewünschte Information tragen, verwendet man für die Bilderzeugung.“

Fehler sind nützlich

In Simulationsrechnungen untersuchte das Team, wie man diese Technik auf die Spitze treiben kann und fand dabei einen Fall, der sich tatsächlich zum Abbilden einzelner Orbitale eignet: „Man muss die Symmetrie im Graphen brechen“, sagt Stefan Löffler. „Wenn die Graphen-Struktur beispielsweise ein Loch hat, dann haben die Atome direkt neben diesem Loch eine etwas andere elektronische Struktur – und die Orbitale genau dieser Atome kann man abbilden. Dasselbe ist möglich, wenn irgendwo im Graphen statt eines Kohlenstoffatoms ein Stickstoffatom sitzt. Wichtig ist dabei, nur Elektronen eines genau passenden, engen Energiefensters zu berücksichtigen, bestimmte Aberrationen der elektromagnetischen Linse zu minimieren, und – nicht zuletzt – ein erstklassiges Elektronenmikroskop zu verwenden“. Aber all diese Probleme sind in den Griff zu bekommen, wie die Simulationsrechnungen der Forschungsgruppe zeigen.

Neben der TU Wien waren auch die Humboldt-Universität in Berlin und die Universität Ulm an der Studie beteiligt. In Ulm wird derzeit ein neues, leistungsfähiges Transmissions-elektronenmikroskop entwickelt, an dem man die neuen Ideen demnächst umsetzen wird. Erste Ergebnisse übertreffen bereits die Erwartungen.

Rückfragehinweise:
Dr. Stefan Löffler
Service-Einrichtung für Transmissions-
Elektronenmikroskopie (USTEM)
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8, 1040 Wien
T: +43-1-58801-45226
stefan.loeffler@tuwien.ac.at

Prof. Peter Schattschneider
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8, 1040 Wien
peter.schattschneider@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.036801 Originalpublikation: Mapping Atomic Orbitals with the Transmission Electron Microscope: Images of Defective Graphene Predicted from First-Principles Theory
https://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2016/orbitale Bilderdownload

Media Contact

Dr. Florian Aigner Technische Universität Wien

Weitere Informationen:

http://www.tuwien.ac.at

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie

Von grundlegenden Gesetzen der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen, den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie über Felder in Raum und Zeit bis hin zur Struktur von Raum und Zeit selbst.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Astrophysik, Lasertechnologie, Kernphysik, Quantenphysik, Nanotechnologie, Teilchenphysik, Festkörperphysik, Mars, Venus, und Hubble.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

Neues topologisches Metamaterial

… verstärkt Schallwellen exponentiell. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am niederländischen Forschungsinstitut AMOLF haben in einer internationalen Kollaboration ein neuartiges Metamaterial entwickelt, durch das sich Schallwellen auf völlig neue Art und Weise…

Astronomen entdecken starke Magnetfelder

… am Rand des zentralen schwarzen Lochs der Milchstraße. Ein neues Bild des Event Horizon Telescope (EHT) hat starke und geordnete Magnetfelder aufgespürt, die vom Rand des supermassereichen schwarzen Lochs…

Faktor für die Gehirnexpansion beim Menschen

Was unterscheidet uns Menschen von anderen Lebewesen? Der Schlüssel liegt im Neokortex, der äußeren Schicht des Gehirns. Diese Gehirnregion ermöglicht uns abstraktes Denken, Kunst und komplexe Sprache. Ein internationales Forschungsteam…

Partner & Förderer