95/03 - 22. September 2003

Forscher aus Augsburg und Stanford berichten in PNAS:

Vollständige Oberflächenstruktur des Graphits abgebildet

Neue Technik macht das bislang "verborgene" Atom sichtbar

Wissenschaftler der Universität Augsburg und der Stanford Universität in Kalifornien haben das bislang "verborgene" Atom in der Oberfläche von Graphit abgebildet. Stefan Hembacher und Kollegen berichten in Artikel 03-4173 der "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" (PNAS), dass sie mit ihrer neuen Technik erstmals alle Kohlenstoffatome innerhalb des Molekülbausteins, der sich milliardenfach fortgesetzt zu einem Graphitkristall verbindet, abbilden konnten.

Wichtig für Nanowissenschaften

Demgegenüber "sahen" frühere Abbildungstechniken nur jedes zweite Oberflächenatom des Graphits. Graphit ist in vielen Alltagsprodukten enthalten, wie Bleistiften, Schmiermitteln und Autoreifen. Für die Nanowissenschaften ist Graphit aus vielen Gründen wichtig - der erste Kontakt zur Welt einzelner Atome geht für die meisten Nanoforscher über die Abbildung von Graphit mit einem Rastertunnelmikroskop. Das Rastertunnelmikroskop zeigt aber nur die Hälfte der Atome.

Kombiniertes Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskop

Bei den neuen Experimenten wurden das kombinierte Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskop und die Graphitprobe auf etwa 5 Grad über dem absoluten Nullpunkt mit flüssigem Helium gekühlt, um das thermische und elektronische Rauschen zu minimieren. Dieses Mikroskop wurde am EKM des Instituts für Physik der Universität Augsburg entwickelt; es ist nicht zuletzt aufgrund der tiefen Arbeitstemperaturen (-268°C) weltweit einzigartig. Der ebenfalls in Augsburg entwickelte Kraftsensor besteht aus einem Schwingquarz, wie er in gewöhnlichen Armbanduhren verwendet wird. Ein Arm der Schwingquarzgabel trägt eine scharfe Spitze aus Wolfram, wird in Schwingungen versetzt und über die Graphitoberfläche geführt. Das Messsignal des Rastertunnelmikroskops, der Tunnelstrom, kann aufgrund der elektronischen Struktur des Graphits nur durch jedes zweite Graphitatom fließen. Die Schwingungsfrequenz der Spitze dagegen ändert sich durch die auftretenden Abstoßungskräfte über jedem Atom der Oberfläche.

Wie Mark C. Hersam und Yip-Wah Chung von der Northwestern University in Chicago in einem begleitenden Kommentar betonen, könnte die neue Technik auch für die Abbildung anderer weicher organischer und biologischer Moleküle, welche sich mit gewöhnlichen Rastertunnelmikroskopen nur schwierig abbilden lassen hilfreich sein.
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"Revealing the hidden atom in graphite by low-temperature atomic force microscopy" von Stefan Hembacher, Franz J. Giessibl, Jochen Mannhart and Calvin F. Quate, Proceedings of the National Academy of Sciences (USA), article 03-4173, volume 100 (2003)
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Vorabveröffentlichung: http://www.pnas.org/
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Fotos zu dieser Pressemitteilung in der idw-Ausgabe:

http://idw-online.de/public/zeige_pm.html?pmid=69327
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Kontakt und weitere Informationen:

Priv. Doz. Dr. Franz Giessibl
c/o Lehrstuhl für Experimentalphysik VI / EKM
Universität Augsburg
D-86135 Augsburg
Telefon +49 821/598-3675
Fax +49 821/598-3652
franz.giessibl@physik.uni-augsburg.de
http://www.physik.uni-augsburg.de/exp6/research/sxm/sxm_d.shtml
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English Summary: Seeking out Hidden Graphite Atoms

A new imaging technique reveals "hidden" graphite atoms, allowing the complete atomic structure of this common form of carbon to be visualized. The visualization of individual atoms became possible in 1982 with the invention of scanning tunneling microscopy (STM). However, STM detects only half of the atoms in a graphite molecule, missing every second atom in the repeating, hexagonal structure. To solve this hidden atom problem, Stefan Hembacher and colleagues developed a new technique described in article #4173.

In the researcher's setup, the entire microscope and graphite sample are cooled with liquid helium to about 5 degrees above absolute zero to diminish thermal and electrical noise. A tungsten tip travels across the graphite surface and senses the forces between it and the graphite. The microscope measures both the repulsive force and the electric current that flows between the tip and the surface. The author's measurements showed that forces are acting on all atoms on the graphite surface, but current only flows from every other atom. This explains why STM, which only senses current, is unable to detect half the atoms.

As Mark C. Hersam and Yip-Wah Chung note in an accompanying commentary, this new technique may be useful for studying other "soft" organic and biological molecules that are difficult to analyze with traditional scanning tunneling microscopy.

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