Streifen auf SrTiO3 (flickr, Argonne National Laboratory, CC-by-sa)

Der Nanokosmos – eine fremde Welt

Die Nanotechnologie befasst sich mit Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind. Rastersondenmikroskope gewähren uns einen Einblick in die Welt der Atome und Moleküle. Sie können dort zwar auch nicht sehen, aber sie tasten sich durch den Nanokosmos.

Zu Sechseck-Strukturen angeordnete rote Punkte auf schwarzem Hintergrund
Bild 1: Atome auf der Oberfläche eines Siliziumkristalls

Nanotechnologie ist doch nichts Neues, mögen viele denken, es ist einfach ein Fortschritt in der Miniaturisierung – aber das ist ein Irrtum. Es gibt zwei Eigenschaften, durch die sich der Nanokosmos, die Welt unterhalb 100 Nanometer (ein Nanometer = ein Millionstel Millimeter), grundsätzlich von der uns bekannten makroskopischen Welt unterscheidet: Im Nanokosmos herrschen andere physikalische Gesetze als in der „großen“ Welt. Hier regiert die Quantenphysik, die das Verhalten von so unvorstellbar kleinen Dingen wie Atomen und Molekülen beschreibt.

Würde die Quantenphysik auch unsere Alltagswelt beherrschen, wäre das eine Katastrophe für alle Fußballfans. Ein Ball, der dem Torwart direkt in die Arme fliegt, könnte durch diesen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit einfach „hindurch tunneln“. Der arme Mann im Tor würde davon zwar vermutlich nichts merken, aber der Leistungssport wäre einmal mehr zum Glücksspiel geworden.

Zum anderen ist der Nanokosmos unsichtbar. Alles, was in dieser Welt existiert, ist viel kleiner als die kleinsten Wellenlängen des sichtbaren Lichtes und bleibt damit unseren Augen für immer verborgen. Selbst unter Zuhilfenahme des besten optischen Mikroskops.

Die seit über 400 Jahren bekannten optischen Mikroskope nutzen die Welleneigenschaft des Lichtes. Sind diese Wellen für den Nanokosmos zu groß, dann liegt die Idee nahe, eine Strahlung mit kleineren Wellenlängen zu benutzen. Genau das wird bei der Röntgen- und bei der Elektronenmikroskopie getan. Insbesondere die Elektronenmikroskopie ist zu einem Standardwerkzeug der Nanotechnologie geworden. Doch man muss sich dem Nanokosmos nicht mit Wellen – nach dem Prinzip „Auge“ – nähern, man kann ihn auch fühlen. Das hat sogar Vorteile. Nur der Fühlende stellt fest, ob etwas glatt ist oder rau, klebrig, weich oder hart oder elektrisch geladen. Genau das ist die Strategie der Rastersondenmikroskope: Sie ertasten Oberflächen und deren Materialeigenschaften – in einigen Fällen sogar bis aufs einzelne Atom genau.

Inzwischen gibt es eine solche Vielzahl verschiedener Rastersondenmethoden, dass hier nur ein grober Überblick über die verschiedenen Mikroskoptypen und die fast unendlich vielen Anwendungsmöglichkeiten gegeben werden kann.

„Spitzel“ im Nanokosmos

Computergrafik: Details eines Computerchips, die wie Felsen auf einem orangefarbenen Untergrund ruhen.
Bild 2: Details eines Computerchips

Die Erfindung des Rastertunnelmikroskopes 1981 war der wichtigste Meilenstein bei der Erforschung des Nanokosmos. Gerd Binnig und Heinrich Rohrer bekamen dafür 1986 den Nobelpreis für Physik. Mit Rastertunnelmikroskopen können aber nur elektrisch leitende Materialien untersucht werden. 1986 gelang es Gerd Binnig und seinen Kollegen Calvin F.Quate und Christoph Gerber, auch ein Rastersondenmikroskop für nichtleitende Materialien zu entwickeln: Das Rasterkraftmikroskop. Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskope sind die beiden Grundtypen, aus denen sich in der Folgezeit alle anderen Rastersondenmikroskope entwickelt haben.

Steuerung mit atomarer Präzision

Allen Rastersondenmethoden ist gemeinsam, dass sie die Messsonde mit atomarer Präzision auf der Probe positionieren können. Dieses kleine Wunder gelingt mit Motoren aus Piezokristallen. Solche Kristalle lassen sich mit einer elektrischen Spannung kontrolliert verformen. In den meisten Rastersondenmikroskopen gibt es zwei Sorten solcher Nanomotoren: Sogenannte „Walker“ zur Grobjustierung und „Röhrenscanner“ für kleinere, noch präzisere Bewegungen.

Ein „Walker“ ist eine Röhre, in der kleine Piezo-Beinchen befestigt sind. Diese Beinchen halten einen Saphirstab mit dreieckigem Querschnitt fest. Für jeden Schritt, den der Motor macht, werden zuerst alle Piezo Beinchen nacheinander ausgelenkt. Anschließend kehren sie alle gleichzeitig in ihre Ruhelage zurück und tragen den Saphir so ein Stück voran.

Das Herz eines Rastersondenmikroskops ist der Röhrenscanner. Er besteht aus einem Piezo-Kristall in Form einer Röhre, die eine Innenelektrode und eine in vier Quadranten aufgeteilte Außenelektrode hat. Durch eine elektrische Spannung zwischen der Innen- und allen vier Außenelektroden wird die Röhre gestreckt oder gestaucht. Die vier Außenelektroden können aber auch unterschiedliche Spannungen zur Innenelektrode haben. So kann eine Seite des Scanners gedehnt und die andere Seite gestaucht werden, wodurch sich der Scanner verbiegt. Auf diese Weise von elektrischen Spannungen gesteuert, können die Messsonde oder die Probe auf den Bruchteile eines Atomdurchmessers genau positioniert werden, und zwar in allen drei Raumrichtungen.

Schwingungsisolation

Messungen mit atomarer Präzision sind natürlich nur möglich, wenn die Mikroskope absolut erschütterungsfrei aufgehängt sind. Ohne Schwingungsisolation würden schon die Schritte des Experimentators oder ein vor dem Haus vorbeifahrendes Auto eine Messung stören.

Ausblick

Rastersondenmikroskope sind Augen, Tastfinger und zunehmend auch Werkzeuge für den Nanokosmos. Ihre große Stärke ist, dass sie „fühlen können“. Sie bilden nicht nur das Oberflächenrelief einer Probe ab, sie ertasten auch diverse Materialeigenschaften zum Teil mit atomarer Präzision. Das macht diese Mikroskopie zu einer spannenden und unverzichtbaren Methode für die verschiedensten Richtungen der Grundlagenforschung. Einige aus der makroskopischen Welt bekannten Phänomene, wie Reibung oder Magnetismus, sind auf atomarer Ebene noch längst nicht verstanden. Aber auch die chemische Bindung oder biologische Prozesse können mit Rastersondenmethoden in einer völlig neuen Qualität erforscht werden. Es gibt schon unzählige Mikroskoptypen, mit entsprechend maßgeschneiderten Sonden zur Messung der verschiedensten Materialeigenschaften und es kommen immer wieder neue Ideen hinzu. Auch in der industriellen Entwicklungsarbeit spielen Rastersondenmethoden eine wachsende Rolle.

Gegenüber anderen Mikroskopieverfahren auf der Nanometer-Skala, wie zum Beispiel der Elektronenmikroskopie, haben Rastersondenmethoden zwei große Vorteile: Erstens lassen sie sich unter den verschiedensten Umgebungsbedingungen einsetzen und zweitens – sie „sehen“ nicht nur, sie können „fühlen“.