Für die Verbesserung der praktischen Chemikerausbildung wurde am Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie ein interdisziplinäres Nanotechnologie-Labor eingerichtet.
Ziel des nano-Science-Lab ist, den Studierenden der Studiengänge „Chemie“ und „Lehramt Chemie Staatsexamen“ möglichst gezielt, zentrale physikochemische Aspekte auf dem interdisziplinären Gebiet der Nanowissenschaften praxisnah zu vermitteln.

Prof. Dr. Knut Asmis mit Studenten, Foto Swen Reichold
Prof. Dr. Knut Asmis mit Studenten, Foto Swen Reichold

Ausstattung

Zur Verfügung stehen 3 Rasterkraftmikroskope (AFM) und ein Rastertunnelmikroskop (STM) des Herstellers Nanosurf GmbH.

Das Messprinzip eines AFMs basiert auf dem gerasterten Abtasten einer Probenoberfläche mit Hilfe einer mikroskopisch kleinen Spitze, welche an einem Federbalken (engl. cantilever) angebracht ist. Dabei wird die Kraft bei Annäherung einer kleinen, pyramidenförmigen Metallspitze an eine Oberfläche durch Messung der Auslenkung des Federbalkens mittels eines Laserstrahls mit hoher Genauigkeit gemessen. Die Auslenkung wird durch langreichweitige, anziehende Van-der-Waals- und Kapillarkräfte, sowie abstoßende Coulombkräfte der Kernladungen kürzerer Reichweite ausgelöst. Typischerweise können so Strukturen von einigen hundert Mikrometern bis zu wenigen Nanometern abgebildet werden. Vorteil eines AFMs ist, die Topographie einer Probe wiederzugeben und gleichzeitig materialspezifische Eigenschaften zu bestimmen, und das alles an Luft oder in flüssigen Medien. In diesem einleitenden Versuch wird das AFM zur Abbildung der Topographie von Mikrostrukturen (Probe: Testgitter), reinen (Probe: Graphit) und bedeckten Oberflächen (Probe: Kohlenstoffnanoröhrchen) eingesetzt. Dabei kommen unterschiedliche Messmethoden zum Einsatz. Im sogenannten „Constant-Height“-Modus wird direkt die Topographie bestimmt, während im „Constant-Force“-Modus kürzer reichweitige Kräfte (Reibung, chemische Wechselwirkungen) zugänglich werden und mit höherer Ortsauflösung gemessen werden kann. Im „Non-Contact“-Modus, der zu einer geringeren Abnutzung der Sonde führt, wird der Federbalken zum Schwingen angeregt („Tapping“-Modus) und somit sind Wechselwirkungen durch Änderungen der Schwingungsamplitude bestimmbar. Präzisere Messungen sind durch Messung der Phasenverschiebung (erweiterter Tapping-Modus) zwischen der Frequenz des Federbalkens und der äußeren Anregung möglich. Dieser Modus ist insbesondere auf die lokale chemische Zusammensetzung empfindlich und somit sind Strukturen zugänglich, die nicht primär auf die Topologie zurückzuführen sind.

Das STM-Prinzip beruht auf dem Tunneleffekt, der eine endliche Tunnelwahrscheinlichkeit für sehr leichte Teilchen, insbesondere Elektronen, durch Potentialbarrieren hervorsagt. Die STM-Sonde besteht aus einer feinen, idealerweise ein Atom breiten, Drahtspitze und die Wechselwirkunsggröße ist der Tunnelstrom. Dazu wird die leitende Probe kontaktiert und zwischen ihr und der Tunnelspitze eine Tunnelspannung von einigen meV bis einigen V agelegt. Ab einem Abstand von weniger als einem nm zwischen Spitze und Probe setzt der Tunnelstrom (~nA) ein, der eine exponentielle Abstandsabhängigkeit aufweist, da die Wellenfuktionen außerhalb der Oberflächen exponentiell abklingen. Es gibt grundsätzlich zwei Meßmodi. Im „Constant-Current Imaging“ Modus wird der Tunnelstrom durch eine Veränderung der z-Position an jedem Messpunkt konstant gehalten. Im „Constant hight“ Modus wird die vertikale Position der Spitze konstant gehalten. Dieser Modus liefert Information über die Zustandsdichte der Oberfläche und somit auch über die Topologie, kann aber nur auf atomar glatten Oberflächen angewendet werden. Zuerst wird die STM-Spitze manuell zubereitet. Danach wird das STM Prinzip zur Untersuchung zweier unterschiedlicher Proben (Gold, Graphit) angewendet. Ziel dieses Versuches ist es zunächst, das Mikroskop und die bestimmenden Parameter der Abbildung durch die Untersuchung einer Gold (111) Oberfläche  kennenzulernen. Mit diesen Kenntnissen sollen dann anhand einer Graphitprobe (HOPG) die atomare Auflösung des Gerätes demonstriert und die Abbildung des Kristallgitters zur Bestimmung der lateralen Kalibrierung des Rasterbereichs verwendet werden.

Aufnahmen

Typography Nano, Foto: WOI
STM-Aufnahme: hochorganisiertes pyrolytisches Graphit. Aufgenommen im Rahmen des PC-F-Praktikums von Theresa Paul und Nils Jansen

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