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Fremdatom in Graphen

Fremdatome in Graphen gezielt verschieben

Einzelne Siliziumatome lassen sich in Graphen, einer aus nur einer Atomlage bestehenden Kohlenstoffschicht, gezielt verschieben, ohne dabei das ultradünne Graphengitter zu beschädigen. Das zeigen Wiener Wissenschaftler mit Hilfe eines hochauflösenden Ultra-Hochvakuum-Raster-Transmissionselektronenmikroskops.

Physik 12.09.2014

Die Studie in den "Physical Review Letters":

"Silicon–Carbon Bond Inversions Driven by 60-keV Electrons in Graphene" von Toma Susi et al., erschienen am 11. September 2014.

Die Uni Wien besitzt seit dem Vorjahr ein drei Millionen Euro teures Raster-Transmissionselektronenmikroskop (STEM), eines von derzeit nur rund zehn Geräten weltweit, das innovative Ansätze in der Materialphysik ermöglichen soll. Während bei einem optischen Mikroskop eine Probe mit sichtbarem Licht untersucht wird, kommt beim Elektronenmikroskop ein Elektronenstrahl zum Einsatz. Dies ermöglicht eine deutlich höhere Auflösung.

Bei dem STEM in Wien wird der Elektronenstrahl bis auf atomare Dimension fokussiert. Damit wird eine Auflösung von weniger als ein Angström erreicht, das ist ein Zehnmillionstel Millimeter. Das Gerät erlaubt es so, einzelne Atome zu betrachten, wobei die Energie der Elektronen so gering ist, dass auch nur eine Atomlage dünne Materialien wie Graphen untersucht werden können, ohne diese zu schädigen.

Atom wechselt Plätze

Nachdem theoretische Berechnungen diese Möglichkeit gezeigt hatten, ist es nun einer Gruppe um den Physiker Toma Susi gemeinsam mit britischen und US-Kollegen gelungen, einzelne Siliziumatome im Graphen-Gitter zerstörungsfrei zu bewegen. Sie machten sich dabei den Umstand zunutze, dass Kohlenstoffatome in unmittelbarer Nachbarschaft der Siliziumatome weniger stark gebunden sind als jene in größerer Entfernung zu den Fremdatomen. Dadurch können die Forscher mit dem Elektronenstrahl ein weniger stark gebundenes Kohlenatom gerade so weit aus dem Gitter stoßen, dass das benachbarte Siliziumatom auf die freie Stelle wechselt und das Kohlenstoffatom auf den Platz des Siliziums zurückfällt - die Atome haben ihre Plätze getauscht.

Video des animierten Prozess:

"Dieser Prozess ist steuerbar ist, da das Siliziumatom immer an die Stelle, die vom Elektronenstrahl getroffen wird, springt", so Susi in einer Aussendung der Uni. Das ermöglicht den Forschern, die Bewegung jedes einzelnen Siliziumatoms exakt zu steuern. Dies könnte den Forschern ermöglichen, neue Quantenstrukturen herzustellen - oder, wie es in der Aussendung heißt, "das Logo einer Universität - geschrieben aus Siliziumatomen in Graphen". Was wohl ein passendes Geburtstagsgeschenk zum 650-Jahr-Jubiläum der Uni Wien im kommenden Jahr wäre.

science.ORF.at/APA

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