Rasterkraftmikroskopie mit Sauerstoffsonde Sanftes Tasten zeigt Atome auf Oberflächen

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Mit feinfühliger Spitze lassen sich in der Rasterkraftmikroskopie einzelne Atome abbilden. Wie sensibel die Methode ist, haben Forscher der TU-Wien demonstriert: Sie führten ein einzelnes Sauerstoffatom über eine Oberfläche und zeigten so die Anordnung von darauf befindlichen Molekülen, ohne diese in irgendeiner Art zu verändern.

Wien/Österreich – Wie kann man Oberflächen möglichst sanft und zerstörungsfrei auf atomarer Skala abbilden? An der TU Wien widmet man sich dieser Frage und studiert die Wechselwirkung zwischen Sauerstoff und Metalloxid-Oberflächen, die für viele technische Anwendungen eine wichtige Rolle spielen – von chemischen Sensoren über Katalysatoren bis hin zur Elektronik.

Die Sauerstoffatome auf der Metalloxid-Oberfläche zu untersuchen, ohne sie dabei zu verändern, ist allerdings schwierig. Dazu mussten die Forscher des Instituts für Angewandte Physik der TU Wien eine spezielle Technik anwenden: An der äußersten Spitze eines Rasterkraftmikroskops haben sie ein einzelnes Sauerstoffatom befestigt und sanft über die Oberfläche geführt. Die Kraft zwischen Oberfläche und Sauerstoffatom messen die Wissenschaftler – so lässt sich ein Bild mit extrem hoher Auflösung anfertigen.

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Sauerstoff auf Oberflächen – vielfältige Möglichkeiten

„In den letzten Jahren wurde viel daran geforscht, wie sich Sauerstoff an Metalloxid-Oberflächen anlagert“, sagt Martin Setvin von der TU Wien. Das muss nicht unbedingt in Form von O₂-Molekülen geschehen. Die Moleküle könnten auch gespalten werden, sodass sich einzelne Sauerstoffatome auf der Oberfläche anlagern, vielleicht könnten sogar Komplexe wie das hypothetische Tetraoxygen aus vier Sauerstoffatomen entstehen. Solche Details über den Zustand des Sauerstoffs auf der Metalloxid-Oberfläche herauszufinden sei wichtig, um dort ablaufende chemische Reaktionen zu verstehen, wie Setvin erklärt.

Ein Bild dieser Atome aufzunehmen gestaltet sich allerdings als schwierig. Oft werden Rastertunnelmikroskope eingesetzt, um Oberflächen Atom für Atom abzubilden. Dabei führt man eine feine Spitze in minimalem Abstand über die Probe, sodass einzelne Elektronen zwischen Probe und Spitze überwechseln können. Gemessen wird der elektrische Strom, der dabei fließt. Diese Methode lässt sich in diesem Fall allerdings nicht einsetzen – die Sauerstoffmoleküle würden elektrisch aufgeladen werden und dadurch ihr Verhalten völlig verändern.

Adsorptionsprozesse

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Hochsensible atomare Sonde

Daher verwendeten die Wiener Forscher stattdessen ein Rasterkraftmikroskop. Auch hier lässt man eine dünne Spitze über die Oberfläche wandern, doch in diesem Fall fließt kein Strom. Gemessen wird stattdessen die Kraft, die zwischen Spitze und Oberfläche wirkt. Entscheidend war ein besonderer Trick – die Funktionalisierung der Spitze: „Ein einzelnes Sauerstoffatom wird zunächst von der Spitze des Rasterkraftmikroskops erfasst und dann mit der Spitze über die Oberfläche bewegt“, erklärt Setvins Kollege Igor Sokolović. Das Sauerstoffatom dient als hochsensible Sonde, um Punkt für Punkt die Oberfläche zu untersuchen.

Weil dabei kein Strom fließt und das Sauerstoffatom nie ganz in Kontakt mit der Oberfläche kommt, ist diese Methode extrem sanft und verändert die Atome auf der Metalloxid-Oberfläche nicht. So kann man die Geometrie der Sauerstoff-Anlagerungen auf dem Metalloxid genau untersuchen.

Erfolgreicher Methodentest

„Dieses Funktionalisieren der Spitze, indem man ein ganz bestimmtes Atom daraufsetzt, wurde in den letzten Jahren entwickelt, wir zeigen nun erstmals, wie erfolgreich die Methode bei Metalloxid-Oberflächen sein kann“, sagt Setvin. Es zeigt sich, dass die Sauerstoffmoleküle auf unterschiedliche Weisen am Metalloxid angelagert werden können – entweder auf den Titan-Atomen der untersuchten Oberfläche, oder an bestimmten Stellen, an denen im Titanoxid ein Sauerstoffatom fehlt. Je nach Temperatur kann es dann zu einem Aufspalten der Sauerstoffmoleküle in zwei einzelne Sauerstoffatome kommen. Tetraoxygen, ein hypothetischer Komplex aus vier Sauerstoffatomen, wurde hingegen nicht gefunden.

„Die Titanoxid-Oberflächen, die wir auf diese Weise untersuchen, sind ein prototypischer Fall, um die Methode genau zu testen“, sagt Setvin. „Aber die Erkenntnisse, die wir daraus gewinnen, gelten natürlich auch für viele andere Materialien.“ Die Mikroskopie mit funktionalisierter Spitze in einem Rasterkraftmikroskop ist eine vielseitige Methode, um zerstörungsfrei und ohne elektronische Veränderung eine Oberflächenstruktur mit atomarer Auflösung abzubilden.

Originalpublikation: M. Setvin et al.: Resolving the adsorption of molecular O2 on the rutile TiO2(110) surface by non-contact atomic force microscopy, PNAS (2020), DOI: 10.1073/pnas.1922452117

* Dr. F. Aigner, Technische Universität Wien, 1040 Wien/Österreich

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