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Nano-scale chemical mapping and surface structural modification by joined use of X-ray microbeams and tip assisted local detection.

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Effiziente integrierte Bestimmung chemischer und struktureller Oberflächeneigenschaften

Das Verständnis der morphologischen und chemischen Zusammensetzung einer Struktur ist für das Verständnis und die Erforschung potenzieller Funktionen häufig von großer Bedeutung. EU-geförderte Forscher kombinierten bisher voneinander getrennte Technologien zu einem einzelnen Werkzeug, mit dessen Hilfe nanomaßstabliche Strukturen ausführlich ausgewertet und sogar manipuliert werden können.

Industrielle Technologien

Zwei Techniken zur Erforschung der elementaren Zusammensetzung und Oberflächen-Nanostruktur sind die Röntgenabsorptionsspektroskopie (X-ray Absorption Spectroscopy, XAS) und die Rastersondenmikroskopie (Scanning Probe Microscopy, SPM). XAS basiert auf Synchrotronstrahlung, welche feine, gebündelte Röntgenstrahlen liefert. Die Strahlen werden von Elektronen in Atomen oder Molekülen absorbiert und ändern so deren Energiezustand. Je nach chemischer Zusammensetzung der Struktur (vergleichbar mit einem Fingerabdruck) verursacht die Absorption spezielle Spektren und liefert so wertvolle Informationen über die chemischen Elemente, aus denen die Struktur besteht. Um nanomaßstabliche Oberflächenstrukturen oder sogar dreidimensionale (3D) Oberflächenkarten abzubilden, kommen bei SPM keine Elektronenstrahlen oder Photonen, sondern Sonden zum Einsatz. Beispiele für SPM sind die Rastertunnelmikroskopie (Scanning Tunnelling Microscopy, STM), Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) und die optische Rasternahfeldmikroskopie (Near-field Scanning Optical Microscopy, NSOM). Europäische Forscher beabsichtigten, die Potenziale von XAS und SPM mit dem X-TIP Projekt in einem einzigen Werkzeug zu vereinen. Es kamen zwei unterschiedliche Sondenspitzen zum Einsatz – metallische Spitzen zur Erfassung von Elektronen und Quartzfasern zur Erfassung optischer Photonen. Um Interferenzen und Wechselwirkungen zwischen Röntgenstrahlen und Sondenspitzen zu vermeiden, versahen die Forscher die blanke metallische Spitze mit einer dicken isolierenden Schicht. Das Herzstück des Systems bestand aus einem mehrköpfigen Lokal-Sonden-Mikroskop, welches STM, AFM und NSOM vereint und Synchrotron-Röntgenstrahlen integriert, die dort gebündelt werden, wo die Sondenspitze abtastet. Das System verfügt daher über drei verschiedene Funktionsweisen: XAS-STM, XAS-AFM und XAS-NSOM. Die Techniken und Geräteausstattungen von X-TIP ermöglichten daher eine natürliche Erweiterung von SPM, welche detaillierte Informationen über Strukturen liefern kann, und ermöglichten so zusätzlich die Chemikalienunverträglichkeit, die morphologische Erkennung und die Fähigkeit der Nanomanipulation mit einem einzigen Werkzeug. Angesichts der enormen, wachsenden Forschung und Entwicklung (F&E) auf dem Gebiet der Nanotechnologie und der Nanogeräte kann die Geräteausstattung von X-TIP den Nanowissenschaften einen enormen Aufschwung verleihen. Dies würde auch mit wesentlichen wirtschaftlichen Vorteilen für Wissenschaft und Technik in der EU einhergehen.

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