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Rastertunnelmikroskopie im Physikalischen Institut

Mit dem Eiffelturm den Mond abtasten Rastertunnelmikroskopie im Physikalischen Institut

Die Tageblatt-Serie „Campus-Ansichten“ bietet Einblicke und Ausblicke, die die Universität und Forschungsinstitute in Göttingen von Seiten zeigen, die nur wenigen Menschen bekannt sind. Um die Rastertunnelmikroskopie des IV. Physikalischen Instituts dreht sich Folge 24.

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Quelle: CH

Göttingen. Gerade einmal ein Atom ist die Spitze der Nadel klein. Mit ihr tasten Wissenschaftler berührungslos die Oberfläche des Untersuchungsobjektes ab. „Gleich zwei solcher Rastertunnelmikroskope stehen im IV. Physikalischen Institut am Friedrich-Hund-Platz 1“, berichtet Dr. Martin Wenderoth (54).

Der Physiker, der für die High-Tech-Geräte zuständig ist, erläutert das Prinzip: „Wir erzeugen eine elektrische Spannung zwischen Sonde und Objekt und messen den fließenden Strom.“ Durchtunneln nennt sich der quantenmechanische Prozess. „Das Prinzip ähnelt dem eines Plattenspielers“, erklärt Wenderoth. Als Nadel dient ein Wolfram-Draht, der dreimal so dick wie ein Haar ist. Das Ende wird in Natronlauge getaucht und durch einen sogenannten elektrolytischen Prozess angespitzt.

Bei den Messungen führen die Wissenschaftler die Nadel dann in einem Abstand von drei, vier Atomen über die zu untersuchende Fläche. Die Steuerung erfolgt von einem Nachbarraum aus über Piezokristalle, die sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung bewegen.

„Von den Größenverhältnissen her ist das ungefähr so, als ob wir mit dem Eiffelturm von der Erde aus, die Mondoberfläche in einem Abstand von zehn Zentimetern abtasten“, veranschaulicht Wenderoth. Da kann es schon einmal passieren, dass die Nadelspitze durch ein unbeabsichtigtes Aufsetzen abbricht. Sie lässt sich gleich wieder anspitzen. „Ärgerlicher ist es, wenn die Spitze sich verbiegt“, sagt der Physiker. Dann ist sie auszutauschen, was mehrere Stunden dauert.

Das Messgerät muss erschütterungsfrei stehen. In der alten Physik in der Bunsenstraße ließ sich das Rastertunnelmikroskop für höchstauflösende Messungen nur nachts einsetzen, wenn sich keine Personen im Gebäude aufhielten. Selbst der Verkehr auf der entfernt liegenden Bürgerstraße stellte ein Problem dar. „Beim Neubau 2003 in Weende hat unser Laborbereich ein eigenes, zwei Meter dickes Betonfundament erhalten“, berichtet Wenderoth. Der Estrich des Flurs ist nicht mit dem des Messraums verbunden. Das Gerät steht nun bis zu einem Faktor 100 ruhiger.

Vorgenommen werden die Messungen im Vakuum. Das Mikroskop enthält keine der im Baumarkt üblichen, verzinkten Schrauben, weil Zinkatome ausdünsten und die Messkammer verunreinigen. Selbst Gas- und Wassermoleküle stören. Die Edelstahlkammer wird daher einige Tage lang auf 150 Grad aufgeheizt, während eine Pumpe Stoffe absaugt. Die Messungen erfolgen bei tiefen Temperaturen. Flüssiges Helium kühlt die Kammer auf minus 269 Grad Celsius herunter.

Die Göttinger untersuchen mit den Rastertunnelmikroskopen unter anderem verunreinigte Halbleiter unter Lichtbestrahlung, um Prozesse in Solarzellen zu verstehen. Derzeit arbeiten acht Wissenschafter, die Bachelor-, Master- oder Doktorarbeiten verfassen, mit den Geräten. Gerd Binnig und Heinrich Roher haben 1981 im Schweizer Forschungslabor des Computerherstellers IBM diese Art Mikroskope erfunden. Sie erhielten dafür 1986 den Nobelpreis für Physik.

Von Michael Caspar

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