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Elektronenstrahl steuert Platzwechsel der Siliziumatome in Graphen

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Neues aus der MaterialphysikEinzelne Siliciumatome in Graphen verschoben

Seit einigen Jahren ist es möglich, einzelne Atome mit Hilfe eines Elektronenmikroskops abzubilden. Besonders eindrucksvoll gelingt dies bei Graphen, einer nur ein Atom dicken Schicht aus Kohlenstoffatomen.

Neues aus der Materialphysik: Einzelne Siliciumatome in Graphen verschoben

Einer Gruppe rund um Toma Susi, Physiker an der Universität Wien, ist es nun in Kooperation mit Teams aus Großbritannien und den USA gelungen, einzelne Siliciumatome im Graphen-Gitter zerstörungsfrei zu bewegen. Aktuell berichten die ForscherInnen im renommierten Journal "Physical Review Letters", wie ihre Experimente mit Hilfe spezialisierter Mikroskopie-Techniken und aufwendiger Computerberechnungen glückten.

Bereits 1959 hat der Physiker Richard Feynman die berühmte Frage gestellt, ob es jemals möglich sein wird, einzelne Atome sehen und sogar bewegen zu können. Lange Zeit galt seine Vision eher als Science Fiction, aber Schritt für Schritt wurde diese Vision durch die moderne Mikroskopie zur Realität im wissenschaftlichen Alltag. Bei solchen Untersuchungen können jedoch manchmal Schäden am erforschten Material entstehen.

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High-Tech-Mikroskop ermöglichte Forschungserfolg
In der aktuellen Studie wurde Graphen, eine nur ein Atom dicke Lage aus Kohlenstoffatomen, in die einzelne Siliciumatome eigebettet sind, getestet. Die Siliciumatome ragen aufgrund ihres Größenunterschiedes aus der Ebene der Kohlenstoffatome heraus. "Wir kamen mithilfe detaillierter Computersimulationen zum Schluss, dass das Material durch Beschuss mit Elektronen manipuliert werden kann, ohne dieses zu beschädigen. Dafür haben wir eine Beschleunigungsspannung von 60000 Volt benötigt", so Toma Susi, Erstautor und FWF-Lise-Meitner-Stipendiat an der Universität Wien: "Voraussetzung für diese High-Tech-Experimente ist ein modernes hochauflösendes Ultra-Hochvakuum-Raster-Transmissionselektronenmikroskop, von denen es derzeit weltweit nur etwa zehn gibt. Die Universität Wien verfügt über ein derartiges Gerät, das mit einer Auflösung von weniger als ein Ångström, das ist ein Zehnmillionstel Millimeter, nahezu alle atomaren Abstände auflösen kann. Damit habe ich meine komplexen Untersuchungen durchgeführt." Das Team in Daresbury (UK) arbeitete ebenfalls mit einem solchen Mikroskop.

Vergleich der Messergebnisse mit Computersimulationen
Die Computerberechnungen haben gezeigt, dass Kohlenstoffatome in unmittelbarer Nachbarschaft der Siliciumatome weniger stark gebunden sind als jene Kohlenstoffatome, die weit entfernt von den Siliciumatomen liegen. Dadurch können die ForscherInnen mit dem Elektronenstrahl ein Nachbaratom eines Siliciumatoms nur gerade soweit aus dem Gitter stoßen, dass das Siliciumatom und das Kohlenstoffatom ihre Plätze tauschen. Dieser Platztausch wurde von beiden Forschungsteams direkt im Elektronenmikroskop beobachtet. Durch Analyse von etwa 40 solcher aufgenommenen Prozesse konnten die ForscherInnen herausfinden, dass es sich bei dem Platztausch um einen stochastischen Prozess handelt und dessen Wahrscheinlichkeit bestimmen. Ein direkter Vergleich der Messergebnisse mit den Computersimulationen zeigte eine beeindruckende Übereinstimmung.

Elektronenstrahl steuert Platzwechsel der Siliciumatome
Neben der Bedeutung für die Physik eröffnen diese Ergebnisse sehr vielversprechende Möglichkeiten für die gezielte Erzeugung von Strukturen aus einzelnen Atomen. "Was unsere Ergebnisse wahrlich beeindruckend macht, ist, dass dieser Platzwechselprozess steuerbar ist, da das Siliciumatom immer an die Stelle, die vom Elektronenstrahl getroffen wird, springt", so Toma Susi, Physiker an der Universität Wien. "Das ermöglicht uns, die Bewegung jedes einzelnen Siliciumatoms auf das Genaueste zu steuern. Vielleicht sehen wir bald neue Quantenstrukturen oder das Logo einer Universität - geschrieben aus Siliciumatomen in Graphen."

Publikation:
Silicon-carbon bond inversions driven by 60 keV electrons in graphene: T. Susi, J. Kotakoski, D. Kepaptsoglou, C. Mangler, T.C. Lovejoy, O.L. Krivanek, R. Zan, U. Bangert, P. Ayala, J.C. Meyer & Q. Ramasse. Physical Review Letters, August 2014. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.115501.

Video Animation:
Visualisierung der Silicium-Kohlenstoff-Bindungsinversion

Video Abstract:
Erstautor Toma Susi beschreibt sein Forschungsprojekt

Blogeintrag Toma Susi (Mostly physics):
"Moving silicon atoms in graphene with atomic precision":

Wissenschaftlicher Kontakt
Dr. Toma Susi
Tailored Hybrid Structures
Elektronische Materialeigenschaften
Fakultät für Physik
Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
toma.susi@univie.ac.at

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