09.03.2020 - University of Leeds

'Kitzeln' eines Atoms zur Untersuchung des Verhaltens von Materialien

Wissenschaftler und Ingenieure, die an den Grenzen der Nanotechnologie arbeiten, stehen vor großen Herausforderungen. Wenn die Position eines einzelnen Atoms in einem Material die grundlegenden Eigenschaften dieses Materials verändern kann, brauchen die Wissenschaftler etwas in ihrem Werkzeugkasten, um zu messen, wie sich dieses Atom verhalten wird.

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Leeds hat in Zusammenarbeit mit Kollegen der Sorbonne University in Paris, Frankreich, zum ersten Mal gezeigt, dass es möglich ist, eine Diagnosetechnik zu entwickeln, die mit der Idee einer Stimmgabel lose verwandt ist.

Eine Stimmgabel erzeugt einen festen Ton, wenn Energie auf sie aufgebracht wird - in diesem Fall, wenn sie angeschlagen wird. Wenn die Gabel jedoch irgendwie verändert wird, verstimmt sie sich: der Ton ändert sich.

Die vom Forschungsteam verwendete Technik besteht darin, einen Elektronenstrahl auf ein einzelnes Atom in einem Festkörper zu richten. Dieser Energiestrom bringt es und die es umgebenden Atome in Schwingung.

Dadurch entsteht ein einzigartiger Fingerabdruck der Schwingungsenergie, ähnlich dem festen Ton einer Stimmgabel, der mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen werden kann. Wenn jedoch eine einzelne atomare Verunreinigung vorhanden ist, z.B. ein anderes chemisches Element, ändert sich der Schwingungsenergie-Fingerabdruck dieser Verunreinigung: Das Material "klingt" an dieser Stelle anders.

Die Forschung eröffnet die Möglichkeit, dass Wissenschaftler Materialien auf atomare Verunreinigungen hin überwachen können.

Die Ergebnisse, Single Atom Vibrational Spectroscopy in the Scanning Electron Microscope, wurden in Science veröffentlicht.

Quentin Ramasse, Professor für fortgeschrittene Elektronenmikroskopie in Leeds, der das Projekt leitete, sagte: "Wir haben jetzt direkte Beweise dafür, dass ein einzelnes "fremdes" Atom in einem Festkörper seine Schwingungseigenschaften auf atomarer Ebene verändern kann.

"Dies wird seit Jahrzehnten vorhergesagt, aber es gab bisher keine experimentelle Technik, um diese Schwingungsänderungen direkt zu beobachten. Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass man diese Defektsignatur mit atomarer Präzision aufzeichnen kann."

Die Forscher nutzten das SuperSTEM Laboratory, die nationale Forschungseinrichtung Großbritanniens für fortgeschrittene Elektronenmikroskopie, die vom Engineering and Physical Research Council (EPSRC) unterstützt wird.

Die Anlage beherbergt einige der weltweit fortschrittlichsten Anlagen zur Erforschung der atomaren Struktur der Materie und wird unter der Schirmherrschaft eines akademischen Konsortiums unter der Leitung der Universität Leeds betrieben (zu dem auch die Universitäten Oxford, York, die an diesem Projekt beteiligt waren, sowie Manchester, Glasgow und Liverpool gehören).

Die Wissenschaftler lokalisierten ein einzelnes Fremdatom von Silizium in einem großen Graphenkristall (eine Form von Kohlenstoff, die nur ein Atom dick ist) - und fokussierten dann den Strahl ihres Elektronenmikroskops direkt auf dieses Atom.

Professor Ramasse sagte: "Wir treffen mit einem Elektronenstrahl darauf, der das Siliziumatom in Bewegung setzt oder in Schwingungen versetzt und dabei einen Teil der Energie des einfallenden Elektronenstrahls absorbiert - und wir messen die Menge der absorbierten Energie.

Die Animation veranschaulicht schematisch, wie das Silizium schwingt und wie diese Schwingung beginnt, auf benachbarte Atome zu wirken. Sie ist inspiriert von umfangreichen theoretischen Berechnungen des Teams von Dr. Guillaume Radtke von der Sorbonne, das an diesem Projekt mitgearbeitet hat.

"Die Schwingungsantwort, die wir beobachten, ist einzigartig für die Art und Weise, wie sich dieses spezielle Siliziumatom innerhalb des Graphengitters befindet", fügte Dr. Radtke hinzu. "Wir konnten vorhersagen, wie seine Anwesenheit das umgebende Netzwerk von Kohlenstoffatomen stören würde, aber diese Experimente stellen eine echte technische Errungenschaft dar, weil wir jetzt in der Lage sind, eine solch subtile Veränderung mit atomarer Präzision zu messen.

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