Ein Forschungsteam der Universität Münster hat innovative medizinische Verfahren zur Untersuchung von Materialien entwickelt. Unter der Leitung von Professor Dr. Anika Schlenhoff und Dr. Maciej Bazarnik wurde ein verbessertes Messverfahren in der Rastertunnelmikroskopie (RTM) erprobt. Der Fokus liegt auf der strukturellen und magnetischen Analyse ultra-dünner Schichten, speziell einer Schicht aus magnetischem Eisen, die unter einer Graphen-Schicht verborgen ist.
Die konventionelle Rastertunnelmikroskopie ist in der Regel auf die oberste Atomlage einer Probe beschränkt und nutzt elektronische Zustände, die sich auf der Probenoberfläche befinden. Das neue Verfahren hingegen hebt diese Beschränkung auf. Es erlaubt es den Forschern, Zustände zu betrachten, die sich vor der Oberfläche und in der Probe selbst befinden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung von elektronischem Ladungstransfer an verborgenen Grenzflächen.
Technologische Innovation durch Rastertunnelmikroskopie
Das Rastertunnelmikroskop enthält eine feine Spitze, die über die Probe bewegt wird. Bei angelegter Spannung entsteht ein messbarer Tunnelstrom zwischen der Spitze und der elektrisch leitenden Probe. Diese innovative Technik, die auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt basiert, ermöglicht es, Abbildungen von Flächen gleicher Elektronenzustandsdichte zu erstellen. Die Forscher berichten, dass die vor der Oberfläche liegenden Zustände in die Probe eindringen und durch die Wechselwirkung mit der Eisen-Schicht magnetische Eigenschaften annehmen.
Die Ortsauflösung des neuen Verfahrens gestattet eine detaillierte Analyse der obersten Lage sowie der darunterliegenden Grenzschichten. Besonders bemerkenswert ist, dass es Unterschiede in der vertikalen Stapelfolge der Kohlenstoffatome des Graphens im Vergleich zu den Eisenatomen sichtbar macht. Diese spezifischen Unterschiede hätten mit herkömmlicher Rastertunnelmikroskopie nicht entschlüsselt werden können, wie die Studien zeigen.
Das Rastertunnelmikroskop wird nicht nur zur Analyse der lokalen elektronischen Struktur eingesetzt, sondern auch zur Durchführung von Rastertunnelspektroskopie, die die energetischen Lagen der Oberflächenzustände analysiert. Wikipedia beschreibt, dass Tunnelströme typischerweise zwischen 1 pA und 10 nA liegen und von verschiedenen Parametern wie der Austrittsarbeit der Elektronen abhängen. Zudem sind Techniken wie thermische, akustische sowie mechanische Isolation zur Stabilisierung des Spitze-Probe-Abstands erforderlich.
Die Bedeutung der Forschung
Die vorliegende Studie, die in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht wurde, könnte weitreichende Implikationen für die Materialwissenschaften und die Nanotechnologie haben. Armin B. und Heinrich Rohrer, die Pioniere dieser Technologie, erhalten für ihre Arbeiten zur Rastertunnelmikroskopie seit 1986 Anerkennung, nachdem sie den Nobelpreis für Physik gewonnen haben. Ihre ursprüngliche Entwicklung des Rastertunnelmikroskops hat den Weg für zahlreiche innovative Anwendungen geebnet.
Die Rastertunnelmikroskopie hat sich als unverzichtbares Instrument in der Oberflächenphysik und -chemie etabliert. Sie bietet tiefe Einblicke in atomare Prozesse und hat zur Veranschaulichung der Quantenmechanik beigetragen, einschließlich der Erzeugung und Messung von Quantum Corrals in den 1990er Jahren. Diese neuesten Entwicklungen an der Universität Münster könnten die Grenzen dessen, was bisher in der Nanotechnologie möglich war, weiter verschieben und neue Forschungsansätze eröffnen, die über die bisherigen Analysemethoden hinausgehen.
