IBM System Storage-Kompendium

Technologie-Anhang
Forschungsschwerpunkte der beiden Institutionen reichen
von der Grundlagenforschung bis hin zu angewandter
Forschung. Gemeinsam wird in verschiedenen Bereichen
geforscht, wie zum Beispiel kohlenstoffbasierte Materialien,
Nano­Photonics, Spintronics, Nanodrähte und Tribologie.
Neuer Durchbruch in der Nanotechnologie –
IBM Forscher messen den Ladungszustand von einzelnen
Atomen mit dem Rasterkraftmikroskop
In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universitäten
Regensburg und Utrecht erzielten im Juni 2009 IBM Forscher
einen Durchbruch auf dem Gebiet der Nanotechnologie.
Sie konnten zum ersten Mal den Ladungszustand von
einzelnen Atomen direkt mittels Rasterkraftmikroskopie
(RKM) messen. Die Präzision, mit der sie dabei zwischen
ungeladenen bzw. positiv oder negativ geladenen Atomen
unterscheiden konnten, betrug eine einzelne Elektronenladung
bei einer nanometergenauen räumlichen Auflösung.
Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung von
Nanostrukturen und Bausteinen auf atomarer und molekularer
Skala in Anwendungsbereichen wie etwa der molekularen
Elektronik, der Katalyse oder der Photovoltaik.
Für ihre Experimente verwendeten die Forscher eine Kombination
aus Rastertunnel­ (RTM) und Rasterkraftmikroskop
(RKM), betrieben im Ultrahochvakuum und bei tiefen Temperaturen
(5 Kelvin), um die für die Messungen notwendige
Stabilität zu erreichen.
Ein RKM misst mittels einer atomar feinen Spitze, die auf
einem schwingenden Federbalken angebracht ist, die
Kräfte, die zwischen dieser Spitze und den Atomen auf dem
Substrat auftreten. In der vorliegenden Arbeit verwendeten
die Forscher einen sogenannten qPlus­Kraftsensor, bei dem
die Spitze auf einem Zinken einer Stimmgabel, wie man sie
in mechanischen Uhrwerken von Armbanduhren findet,
angebracht ist, während der andere Zinken fixiert ist. Die
Stimmgabel wird mechanisch angeregt und schwingt mit
einer Amplitude von 0,02 Nanometer. Dies entspricht nur
etwa einem Zehntel des Durchmessers eines Atoms. Wird
die RKM­Spitze nun sehr nah über der Probe, etwa über
einem einzelnen Atom, platziert, verändert sich die Resonanzfrequenz
der Stimmgabel aufgrund der Kräfte, die zwischen
Probe und Spitze auftreten.
Mit dieser Methode und unter extrem stabilen Bedingungen
konnten die IBM Forscher nun die minimalen Unterschiede
in der Kraft messen, die zwischen Spitze und einzelnen,
unterschiedlich geladenen Atomen herrscht. Die Kraftdifferenz
zwischen einem neutralen Goldatom und einem Goldatom
mit einem zusätzlichen Elektron, beträgt nur etwa
11 Piko­Newton, gemessen bei einer minimalen Distanz
zwischen Spitze und Probe von ungefähr einem halben
Nanometer. Die Messgenauigkeit dieser Experimente liegt
im Bereich von 1 Piko­Newton, was der Gravitationskraft
entspricht, die zwei Menschen in einem Abstand von mehr
als einem halben Kilometer aufeinander ausüben. Die
Forscher bestimmten zudem, wie sich die Kraft mit der
zwischen Spitze und Probe angelegten Spannung veränderte.
Dies erlaubte die Unterscheidung, ob das entsprechende
Atom negativ oder positiv geladen war.
Dieser Durchbruch ist ein weiterer, wichtiger Fortschritt auf
dem Gebiet der Nanoforschung. Im Gegensatz zum RTM,
das auf elektrisch leitfähige Proben angewiesen ist, kann
das RKM auch für nicht leitende Proben verwendet werden.
In der molekularen Elektronik, in der die Verwendung von
Molekülen als funktionale Bausteine in zukünftigen Schaltkreisen
und Prozessoren erforscht wird, werden nicht
leitende Trägersubstanzen (Substrate) benötigt. Deshalb
würde bei solchen Experimenten bevorzugt die Rasterkraftmikroskopie
zum Einsatz kommen.
„Das Rasterkraftmikroskop mit einer Messgenauigkeit von
einer Elektronenladung ist hervorragend dazu geeignet,
den Ladungstransfer in Molekülkomplexen zu untersuchen,
was uns wertvolle, neue Erkenntnisse und physikalische
Grundlagen liefern könnte und zudem eines Tages zu neuen
Bauelementen in der Informationstechnologie führen könnte“,
erklärt Gerhard Meyer, der die Forschung im Bereich Rastertunnel­
und Rasterkraftmikroskopie am IBM Forschungslabor
Zürich leitet. Computerbausteine auf der molekularen Skala
haben das Potenzial, um Größenordnungen kleiner, schneller
und auch energieeffizienter zu sein als heutige Transistoren
und Speicherbausteine.
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