Chemische Strukturen abbilden Mikroskopie mittels Molekül-Spitze

Die Rasterkraftmikroskopie kann Oberflächen aufs Atom genau abbilden. Forscher der Justus-Liebig-Universität Gießen haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der sich ein besonders hoher Bildkontrast erzielen lässt.

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Gießen – Wer mit dem Finger über eine Oberfläche fährt, erkennt dort Beulen und Dellen. Ähnlich funktioniert die Rasterkraftmikroskopie, nur dass dort der Finger viel kleiner ist und die Oberfläche meist nicht berührt, sondern knapp darüber hinweggeführt wird. Mit einer solchen Konstruktion lassen sich einzelne Moleküle auf einer Oberfläche abbilden. Nun haben Wissenschaftler der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) und der University of Newcastle (UON) in Australien eine neue Methode entwickelt, mit der sich die chemische Struktur von Verbindungen abbilden lässt.

Gedrehte Schwingungsrichtung

Für die Messungen nutzten sie ein Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskop mit einer extrem scharfen Spitze, welche nur aus einem einzelnen CO-Molekül (Kohlenmonoxid) besteht, sowie Stimmgabelsensoren (qPlus Sensoren), welche zu sehr kleinen Schwingungen im Bereich von nur wenigen Picometern angeregt werden können.

Bislang wurden die Stimmgabelsensoren so betrieben, dass die CO-Spitze senkrecht zur Probenoberfläche oszilliert, ähnlich wie bei einem Sprungbrett über der Wasseroberfläche. Den Wissenschaftlern der JLU und der UON ist es jetzt gelungen, eine Torsionsschwingung (also eine Verdrehung entlang der Längsachse) der Sensoren für solche hochauflösenden Messungen von Molekülen zu nutzen. Hierdurch oszilliert die CO-Spitze annähernd parallel zur Oberfläche (s. Bild oben). Dies liefert einen beeindruckenden Bildkontrast, der auf Lateralkräften (seitlich wirkenden Kräften) mit besonders hoher Abstandsabhängigkeit beruht.

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Methodenwechsel erleichtert

Solche Messungen konnten bisher nur mit speziellen Lateralkraftsensoren durchgeführt werden. Der Vorteil bei der neuen Methode: Durch den Betrieb bei einer anderen Resonanzfrequenz ist es leicht möglich, zwischen der gewöhnlichen Bond-Imaging-Methode und der Lateralkraftmethode zu wechseln. Damit entfällt die Notwendigkeit, den kompletten Sensor zu tauschen, was bei Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskopen sehr aufwändig ist.

In Zukunft möchten die Wissenschaftler die neue Technik verwenden, um molekulare Reaktionsprozesse auf Oberflächen zu untersuchen.

Originalpublikation: Daniel Martin-Jimenez, Michael G. Ruppert, Alexander Ihle, Sebastian Ahles, Hermann A. Wegner, André Schirmeisen and Daniel Ebeling: Chemical bond imaging using torsional and flexural higher eigenmodes of qPlus sensors, Nanoscale 14, 5329, 2022; DOI: 10.1039/D2NR01062C

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