Solche Bauelemente könnten in der Zukunft noch leistungsfähigere Chips jenseits der Grenzen der heutigen Technologien ermöglichen, wie IBM in einer Mitteilung vom Freitag schreibt. In den letzten Jahren wurden in der Charakterisierung von Nanostrukturen auf der atomaren Skala mittels Rasterkraftmikroskopie (in Englisch: Atomic Force Microscope oder AFM) erstaunliche Fortschritte erzielt. Der Blick auf die innere Struktur eines Moleküls mit atomarer Auflösung blieb der Wissenschaft jedoch bis jetzt verwehrt.
Vollständige, chemische Struktur mit atomarer Auflösung
In der Ausgabe des Wissenschaftsjournals Science vom 28. August 2009 berichten die IBM Forscher Leo Gross, Fabian Mohn, Nikolaj Moll und Gerhard Meyer, sowie Peter Liljeroth von der Universität Utrecht, wie sie mithilfe eines AFMs die vollständige, chemische Struktur von Pentazen-Molekülen (C22H14) mit atomarer Auflösung abbilden konnten. Die Experimente wurden im Ultrahochvakuum und bei sehr tiefen Temperaturen (5 Kelvin oder -268°C) durchgeführt. Die erzielten Abbildungen haben in gewisser Weise Ähnlichkeit mit Röntgenaufnahmen, die einen Blick ins Innere des menschlichen Körpers erlauben. Das «AFM mit Röntgenblick» der IBM Forscher kann durch die Elektronenwolke schauen, die das Molekül umhüllt, und das atomare Rückgrat eines Pentazens abbilden.
«Unvergleichliches Potenzial»
Diese Publikation folgt nur gerade zwei Monate nach einer weiteren Arbeit der gleichen Gruppe, die am 12. Juni 2009 in Science veröffentlicht wurde. In dieser wurde die Ladungsmessung einzelner Atome mittels AFM beschrieben. «Rastersondentechnologien bieten ein unvergleichliches Potenzial, um auf der atomaren Skala Prototypen komplexer funktionaler Strukturen zu bauen und damit deren elektronische und chemische Eigenschaften gezielt masszuschneidern und zu untersuchen», erklärt Gerhard Meyer, der die Forschung im Bereich Rastertunnelmikroskopie (STM) und AFM bei IBM Research ? Zürich leitet.
Erweiterung der Grenzen heutiger Chiptechnologien
Die Ergebnisse der beiden Forschungsarbeiten eröffnen neue Möglichkeiten, um die Ladungsverteilung in spezifischen Molekülen oder Molekülnetzwerken zu untersuchen. Das Wissen um diese Vorgänge ist generell sehr wichtig für die Entwicklung von elektronischen Bauelementen auf der atomaren und molekularen Skala. Solche Bauelemente könnten in der Zukunft schnellere, leistungsfähigere und energie-effizientere Prozessoren und Speicherchips ermöglichen, wenn die Grenzen heutiger Chiptechnologien ausgereizt sind.
Eine Spitze für Spitzenauflösung
Das AFM verwendet eine winzige, sehr scharfe Metallspitze, um die minimen Kräfte zu messen, die auftreten, wenn diese Spitze sehr nah an eine Probe, wie etwa ein Molekül, herangeführt wird. Mit einer Punkt-für-Punkt Messung dieser Kräfte kann daraus ein Abbild der Oberfläche erstellt werden. Die Pentazen-Moleküle, die die IBM Forscher in der vorliegenden Arbeit verwendeten, bestehen aus 22 Kohlenstoffatomen und 14 Wasserstoffatomen und haben eine Länge von nur 1,4 Nanometern (millionstel Millimeter). Die Abstände der in Sechsecken angeordneten Kohlenstoffatome sind noch rund zehnmal kleiner. Auf den AFM-Aufnahmen sind diese hexagonalen Kohlenstoffringe bestechend klar aufgelöst und selbst die Positionen der Wasserstoffatome können eindeutig identifiziert werden.
Vollständige dreidimensionale, topographische Kräfte-Abbildung
Den Wissenschaftern gelang es ausserdem, eine vollständige dreidimensionale, topographische Abbildung der Kräfte über dem Molekül zu erstellen. «Die Datenerhebung beanspruchte mehr als 20 Stunden. Dies stellte höchste Ansprüche an die thermische und mechanische Stabilität unseres Systems, um zu gewährleisten, dass die Spitze und das Molekül während der gesamten Zeit unverändert blieben», beschreibt Fabian Mohn, Doktorand bei IBM Research ? Zürich.
IBM und Nanotechnologie
IBM ist seit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops (STM) im Jahr 1981 durch Gerd Binnig und Heinrich Rohrer am Zürcher Labor Pionier auf dem Gebiet der Nanowissenschaft. Für diese bahnbrechende Erfindung, dank derer einzelne Atome abgebildet und später auch manipuliert werden konnten, erhielten Binnig und Rohrer 1986 den Nobelpreis für Physik. Das STM wird generell als das Instrument angesehen, das das Tor zum Nanokosmos öffnete. Das Rasterkraftmikroskop, das eng mit dem STM verwandt ist, wurde 1986 von Binnig erfunden. Für Nanoforschung auf dem allerhöchsten Niveau entsteht derzeit ein neues Forschungszentrum auf dem Campus der IBM in Rüschlikon. Das «Nanoscale Exploratory Technology Laboratory» ist Teil einer strategischen Partnerschaft in Nanotechnologie mit der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ). Die Forschungsaktivitäten werden 2011 aufgenommen.
Die wissenschaftliche Arbeit von L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth und G. Meyer mit dem Titel «The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy» erschien in Science, Vol. 325, Nr. 5944, S. 1110 ? 1114 (28. August 2009). (ibm/mc/ps)