Wie sich einzelne Atome mit Elektronenstrahl steuern lassen

Alle Materie besteht aus Atomen. Diese sind so winzig klein, dass man sie nur mit modernen Geräten wie beispielsweise hochpräzisen Elektronenmikroskopen sehen kann. Dieselben Elektronen, die in diesen Geräten atomare Strukturen bildlich darstellen, können aber auch verwendet werden, um einzelne Atome im Material gezielt zu verschieben. Diese neuartige Technik, welche von Forschern an der Universität Wien entwickelt wurde, erlaubt nun die nahezu perfekte Kontrolle über die Bewegung von einzelnen Siliziumatomen in Graphen. Die neuesten Forschungsergebnisse wurden im renommierten wissenschaftlichen Journal "Nano Letters" veröffentlicht.

Ein bemerkenswerter Durchbruch im Bereich der Nanotechnologie, das Rastertunnelmikroskop, ist seit den späten 1980ern in der Lage, Atome auf Oberflächen zu verschieben. Bis vor kurzem war dies die einzige Methode, gezielt individuelle Atome in kontrollierter Art und Weise zu bewegen. Nun kann man mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopen (engl. STEM) einen hochpräzisen Elektronenstrahl mit subatomarer Genauigkeit auf Proben fokussieren. Dies erlaubt es WissenschafterInnen, direkt jedes einzelne Atom in zweidimensionalen Materialien wie beispielsweise Graphen bildlich darzustellen und mit dem Elektronenstrahl anzuvisieren. Jedes Elektron dieses Strahles hat eine kleine Chance vom Kern dieses anvisierten Atoms zurückgestreut zu werden, was dem Atom einen kleinen Stoß in die Gegenrichtung verpasst.

Aufbauend auf den Forschungsergebnissen der letzten Jahre gelang es nun einem Team von Forschern an der Universität Wien unter der Leitung von Toma Susi unter Verwendung eines modernen Hochleistungselektronenmikroskops des Typs "Nion UltraSTEM 100" einzelne Siliziumatome in Graphen mit beindruckender atomarer Präzision zu bewegen. Selbst bei manueller Handhabung ist diese beindruckende Technik bereits jetzt in der Lage diese gezielten Bewegungen in vergleichbarer Geschwindigkeit zu allen anderen bekannten präzisen Techniken durchzuführen. "Die Präzision, die wir erreichen können, indem wir den Elektronenstrahl per Hand in jede beliebige Richtung steuern, ist bemerkenswert. Und wir haben nun auch die ersten Schritte in Richtung Automatisierung gesetzt und können Bewegungsereignisse in Echtzeit detektieren", sagt Toma Susi.

Insgesamt erzielten die Forscher fast 300 kontrollierte Atomsprünge. Zusätzlich zur Bewegung eines Atoms in einem der Hexagone in Graphen und zu neuen, erweiterten Wegen im Graphengitter, konnten sie ein Siliziumatom wiederholte Male zwischen zwei benachbarten Atompositionen hin und her verschieben, welche lediglich ein Zehnmillionstel eines Meters voneinander entfernt sind. Dies kann man sich so vorstellen, als ob man einen atomaren Schalter umlegen würde. Im Prinzip kann man damit ein Bit von Information in der weltweit höchsten Speicherdichte aufzeichnen. Toma Susi abschließend: "Es wird noch etwas dauern, bis wir Computer oder Handys mit atomarem Speicher haben, aber Dotieratome wie Silizium in Graphen haben das Potential als Bits zu dienen. Und dies mit einer Dichte nahe am Limit des physikalisch Machbaren."

Die Arbeit wurde durch Finanzierung des European Research Council (ERC) und des Fonds zur wissenschaftlichen Forschung (FWF) möglich gemacht.

Publikation in "Nano Letters":
Electron-Beam Manipulation of Silicon Dopants in Graphene: Mukesh Tripathi, Andreas Mittelberger, Nicholas Pike, Clemens Mangler, Jannik C. Meyer, Matthieu Verstraete, Jani Kotakoski, and Toma Susi. Nano Letters Article ASAP,
DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02406.


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