Rastertunnelmikroskope erlauben tiefe Einblicke in den Sub-Nanometer-Bereich. Ein solches Gerät steht in der Technischen Universität Wien.
Zunächst wollte man das feinsinnige Gerät in einem Keller aufstellen - doch dort wären die Erschütterungen durch die U-Bahn zu groß gewesen. Nun steht es im vierten Stock des TU-Freihauses am Wiener Karlsplatz, auf schweren Eisentraversen, zur Schwingungsdämpfung auf dicken Federn aufgehängt: das Rastertunnelmikroskop ("Scanning Tunneling Microscope", STM), ein Instrument, mit dem man Atome abtasten und "sehen" kann.
Grundlage dieser erstaunlichen Technik ist der quantenmechanische Tunneleffekt: Es fließt Strom, der laut klassischer Physik eigentlich nicht fließen dürfte: sozusagen durch einem Berg von einigen Atomdurchmessern Breite. In solchen Abständen - gerade so groß, daß sich keine chemische Bindung etablieren kann - wird eine Nadel aus Metall, deren Spitze im Idealfall aus einem einzigen Atom besteht, in einem engen Raster über die Oberfläche der Probe geführt. Beim Anlegen einer kleinen Spannung fließt der Tunnelstrom - und wird durch Veränderung des Abstandes zwischen Spitze und Oberfläche konstant gehalten. So zeichnet die sich manchmal nur um wenige Milliardstel Millimeter auf und ab bewegende Nadel ein Bild der Oberfläche.
Natürlich fragt man sich: Was ist die Oberfläche? Was sieht man da eigentlich? Schließlich sind Atome ja keine starren Kugeln, und auch die Elektronen sind nicht auf Bahnen fixiert. Im einfachsten Modell zeichnet ein STM-Bild die lokale Dichte der Elektronen, die am schwächsten gebunden sind, die also am wenigsten Energie für ihre "Befreiung" aus dem Festkörper brauchen. Man spricht von Austrittsarbeit - für Theoretiker ist dies eine berechenbare Größe.
"Eine herrliche Sache. Die tasten im Grunde Wellenfunktionen ab - genau das, was wir rechnen können", sagt Josef Redinger vom Institut für Allgemeine Physik der TU Wien. Seine Gruppe arbeitet mit den TU-Experimentatoren um Peter Varga und Michael Schmid eng zusammen: Die Theoretiker an der TU und auch an der Universität Wien (Arbeitsgruppen um Georg Kresse, Jürgen Hafner und Raimund Podloucky), versuchen zu berechnen, was die Experimentatoren sehen oder sehen sollten. Ziel: die STM-Bilder direkt aus der Schrödingergleichung, die das Verhalten von Elektronen in einem System, hier in einem Gitter, beschreibt, zu "simulieren".
Ein besonders großes Kunststück ist es - und hier sind die TU-Experimentatoren "Weltmeister" -, verschiedene Atomsorten zu unterscheiden. Man spricht vom "chemischem Kontrast". Entscheidend ist dabei, so Redinger, erstens die Größe eines Atoms - also wie weit "hinaus" sich seine Elektronenzustände erstrecken -, zweitens, wie viele Elektronen die richtige Energie haben.
Interessant für die Wiener STM-Gruppe sind etwa Oberflächen von Metallegierungen, an denen sich Moleküle anlagern. Das passiert zum Beispiel in Auto-Katalysatoren: Das giftige Kohlenmonoxid (CO) wird auf einer Platin-Rhodium-Palladium-Oberfläche adsorbiert und dort zum ungiftigen Kohlendioxid (CO2) oxidiert. Dieses System widersetzt sich noch dem Experiment, doch die TU-Physiker haben etliche andere Systeme gemessen, etwa CO auf Platin-Eisen oder Platin-Chrom.
Wo nimmt das CO Platz?
"Bevor wir angefangen haben, hat man nicht einmal gewußt, auf welche Atome sich das CO setzt", sagt Michael Schmid. Aufs Platin nämlich, was unerwartet war, schließlich ist Platin das edlere Metall und daher laut Schulweisheit weniger für Bindungen zu haben.
Bei Messungen an Platin-Rhodium stellte sich auch heraus, daß an der Oberfläche der Anteil der Platin-Atome deutlich geringer ist als im Inneren des Festkörpers. Vor allem an den Kanten der Stufen sind fast ausschließlich Platin-Atome.
Man sieht schon an diesem Beispiel: Für reale Vorgänge an Oberflächen kann man nicht mit idealen Oberflächen rechnen, wie sie sich theoretisch ergeben, wenn man einen Kristall einfach in einer Richtung durchschneidet. Von Stufen oder gar Unreinheiten einmal abgesehen - es findet oft "Rekonstruktion" statt: Die Atome an der Oberfläche sind anders angeordnet - in "Überstrukturen" - als im Inneren des Kristalls. Auch solche Strukturen kann man mit dem Rastertunnelmikroskop abbilden: "In kurzer Zeit hat das STM viele offene Fragen über kristallographische Rekonstruktion an Oberflächen beantworten können", sagt Schmid.
Das ist freilich nicht die einzige Anwendung des STM. Man kann damit, nur zum Beispiel, auch das Wachstum dünner Schichten verfolgen, etwa von Kupfer auf Blei-Oberflächen: Solche Prozesse sind für die Herstellung von Gleitlagern mittels Zerstäuben in der Motorenindustrie interessant. In diesem Fall zeigten STM-Versuche, daß Kupfer-Inseln weniger auf dem Blei wachsen, sondern in dieses hinein. Erklärung: Die Blei-Atome sind so mobil, daß sie bereits gebildete Inseln zudecken; die Kupfer-Inseln ihrerseits "wollen" ihre Oberfläche minimieren und neigen daher dazu, ins Blei hinein zu sinken. "Unexpected, but explicable" heißt es dazu in der Internet-"STM-Gallery" der TU-Physiker: unerwartet, aber erklärbar - was kann man Schöneres über experimentelle Grundlagenforschung sagen?