Medienmitteilung der Universität Basel vom 11.10.2012

Atome an den Stufen und Ecken von Oberflächen weisen eine erhöhte Reaktivität auf, durch die chemische Prozesse effizient ablaufen. Physikern der Universität Basel ist es zusammen mit finnischen Wissenschaftlern gelungen, die chemischen Kräfte dieser sogenannten Stufenatome mit einer neuartigen rastermikroskopische Sonde zu untersuchen und einzelne Atome zu bewegen, wie sie in den «Physical Review Letters» beschreiben.

Oberflächen und speziell atomare Stufen und Defekte spielen eine wichtige Rolle für die Katalyse, einer chemischen Reaktion, bei der neben den Reaktanten ein dritter Stoff beteiligt ist. Bisher war bekannt, dass perfekte Oberflächen, wie sie zum Beispiel Kristalle aufweisen, schlechte Katalysatoren sind. Erst die Stufen und Defekte auf Oberflächen ergeben die notwendige Effizienz für eine breite Anwendung bei katalytischen Reaktionen.

Herkömmliche analytische Methoden sind aber oft nicht genügend empfindlich, um die wenigen Stufenatome oder Defekte zu untersuchen. Bereits die akkurate Darstellung von Oberflächen ist für viele Methoden eine Herausforderung. Durch die flache Einstrahlung können zwar auch mit Röntgenlicht Oberflächeneffekte mit einer hohen Empfindlichkeit untersucht werden, jedoch ist die Auflösung einzelner atomarer Stufen oder Defekte nicht möglich.

Der Dreh mit der Torsionsschwingung

Forscher der Universität Basel, der Technische Universität Tampere und der Aalto School of Science haben nun in Kombination mit einem theoretischen Modell eine Methode entwickelt, die auf der Rasterkraftmikroskopie basiert und sich speziell für Oberflächenatome eignet. Dazu versetzten sie den Cantilever, der die hochempfindlichen Spitze des Rasterkraftmikroskops trägt, in eine Drehschwingung. Damit lässt sich die energetische Landschaft atomarer Strukturen äusserst genau abbilden; die Forscher konnten damit auch Atome lokalisieren, die man in der Topographie sonst nicht sieht. Zusätzlich können einzelne Stufenatome im Bereich unter einem Pikometer (also weniger als einem Billionstel Meter) kontrolliert bewegt werden. Das ermöglicht den Forschern, Rückschlüsse auf die chemische Reaktivität dieser Stufen zu ziehen.

Mit der nun vorliegenden Erweiterung der Rastermikroskopie auf Torsionsschwingungen lassen sich kleinste Variationen der chemischen Kräfte im Bereich der atomaren Stufen nachweisen und quantitativ bestimmen. Die Methode kann mittels chemisch funktionalisierter Spitzen erweitert werden, sodass auch die chemische Reaktivität direkt nachgewiesen werden kann.

Originalbeitrag:
Shigeki Kawai, Filippo Federici Canova, Thilo Glatzel, Teemu Hynninen, Ernst Meyer, and Adam S. Foster
Measuring Electric Field Induced Subpicometer Displacement of Step Edge Ions
Phys. Rev. Lett. 109, 146101 (2012) | doi: 10.1103/PhysRevLett.109.146101

Externer Link: www.unibas.ch