Nanowissenschaft: SMART auf Oberflächen geschaut

Beim SMART-Mikrospektroskop werden durch die innovative Korrektur von Abbildungsfehlern Auflösungen im Nanometerbereich realisiert.

Mit Elektronen lassen sich kleinste Strukturen abbilden, da sich Elektronen gemäß der Quantentheorie teilweise wie Wellen verhalten. Die Elektronenmikroskopie liefert so eine bis zu 3000-fach bessere Auflösung als die Lichtmikroskopie und lässt sich zudem vielseitiger mit anderen Messmethoden kombinieren. Bei der sogenannten Photoelektronenemissionsmikroskopie werden dabei zur Abbildung keine Elektronen aus einer externen Elektronenquelle genutzt, sondern Elektronen aus der Probe selbst, die mit Hilfe von Synchrotronstrahlung aus den Atomen gelöst werden (innerer Photoeffekt). Da diese Photoelektronen direkt aus den untersuchten Proben kommen, tragen sie wichtige Informationen über chemische, elektronische und magnetische Eigenschaften der Probe, die durch geeignete Verfahren analysiert werden können.

SMART-Spektromikroskop im Komplettaufbau

In der Elektronenmikroskopie ersetzen magnetische oder elektrostatische Linsen die Glaslinsen in der Lichtmikroskopie. Während aber die Abbildungsfehler der Glaslinsen nahezu vollständig unter anderem durch Kombinationen konkaver und konvexer Linsen korrigiert werden können und die Auflösung nur noch durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt wird, lassen sich keine konkaven Linsen für Elektronen konstruieren. Durch die Verwendung von Blenden erreichte man bisher eine bestmögliche Auflösung von rund zehn Nanometern, das ist rund zehnmal schlechter als prinzipiell möglich. Zudem wird die Abbildung durch das Ausblenden des Großteils des Elektronenstrahls deutlich dunkler. Dies erschwert die Beobachtung von zeitlichen Prozessen oder strahlungsempfindlichen Proben.

Beim durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten SMART-Projekt gelang es Forschern nun, die Linsenfehler mit Hilfe eines Elektronenspiegels zu korrigieren. Als Folge wird die Auflösung auf wenige Nanometer und gleichzeitig der Akzeptanzwinkel des Objektivs verbessert. Dadurch wird die Transmission des Mikroskops deutlich erhöht und die Strahlungsbelastung der Probe drastisch erniedrigt.

Das SMART-Instrument ist derzeit bei BESSY II an einer Hochfluss-Strahlführung installiert. Die Designparameter, die eine Auflösung von zwei Nanometern anzielen, sind mit einer nachgewiesenen Ortsauflösung von 3,1 Nanometern nahezu erreicht. Die anvisierte Auflösung ist ideal geeignet, um Nanostrukturen an Oberflächen mittels Spektromikroskopie zu analysieren. Eine der bisherigen Hauptanwendungen des SMART-Projekts zielt auf die Untersuchung des Wachstums von organischen Dünnschichten auf Metalloberflächen. Auf diese Weise lässt sich während der Schichtherstellung das Wachstum der Schichten als Funktion der Zeit, Temperatur oder Aufdampfrate verfolgen. Die mikroskopische Abbildung erlaubt unter anderem, den Einfluss von Oberflächendefekten, atomaren Stufen auf der zu bedampfenden Oberfläche, auf das Wachstumsverhalten und den Einbau großer Moleküle zu studieren.

Mit Hilfe des SMART-Mikroskops wurde beispielsweise untersucht, wie sich Stufen auf einer zu bedampfenden Silberoberfläche auf die Ausbildung einer Schicht aus PTCDA-Molekülen auswirkten. PTCDA (3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid) wird für organische Halbleiter-Bauelemente verwendet. Durch geeignete Kristallpräparation lassen sich regelmäßig gestufte Silberoberflächen präparieren, auf die das PTCDA aufgedampft wurde. Die Elektronenspektroskopie macht dabei eine Verschiebung der elektronischen Niveaus deutlich, durch die auf die kovalente Art der Bindung zwischen PTCDA und Silber geschlossen werden kann. Bei nicht-gestuften Oberflächen bilden sich langreichweitig geordnete Bereiche aus, das heißt die PTCDA-Moleküle lagern sich periodisch an der Grenzfläche zum Metall an, wobei die Strukturparameter nahe dem organischen Einkristall liegen.

Aufnahme von SMART

Im Fall der gestuften Silberoberfläche zeigt sich ein erstaunlicher Effekt: Aufgrund der starken Kopplung der PTCDA-Moleküle wird in der gestuften Oberfläche eine sogenannte Facettierung induziert, das heißt die Atome in der Silberunterlage lagern sich großflächig um, so dass die Stufen „wandern“ und sich letztlich unter den Bereichen befinden, in denen die Moleküle geordnete Domänen ausbilden. Diese adsorbat-induzierte Facettierung ist durch die Absenkung der freien Oberflächenenergie begründet und konnte mit Hilfe des SMART-Mikroskops erstmalig in Echtzeit nachgewiesen werden.

„Influence of the substrate morphology on the organic layer growth of PTCDA on Ag(111)“, H. Marchetto, U. Groh, Th. Schmidt; Chemical Physics, DOI: 10.1016/j.chemphys.2006.01.006, 2006.