Diamantoberfläche im Visier

News: Diamantoberfläche im Visier

Mit einem Rastertunnel-Mikroskop lässt sich vortrefflich die atomare Oberflächenstruktur von leitenden Materialien ergründen. Doch versagt das Instrument bei Isolatoren. Nun gelang es Wissenschaftlern aber doch, mit dem Mikroskop die Oberfläche eines Diamanten zu betrachten. Dazu legten Sie einfach eine etwas höhere Spannung zwischen Messspitze und Probe an als sonst üblich.

Thorsten Krome

Diamantoberfläche — © Gérald Dujardin/Université Paris-Sud (Ausschnitt)

Zeile für Zeile baut sich ein Bild auf und gibt nach wenigen Minuten den Blick auf atomare Landschaften preis. Das Rastertunnelmikroskop besitzt ein beeindruckendes Auflösungsvermögen – selbst der Ort einzelner Atome wird sichtbar. Dazu rastert eine kleine Metallspitze in dichtem Abstand – etwa einem Nanometer – über die Probenoberfläche.

Zwischen Spitze und Probe liegt eine Spannung an, sodass aufgrund des Tunneleffekts Elektronen die geringe Entfernung zurücklegen können und sich ein kleiner Strom im Bereich von Nanoampere messen lässt. Dabei hängt der Strom empfindlich von der Entfernung zwischen Messspitze und Oberfläche ab, weshalb Schwankungen in der Stromstärke direkt Ausdruck der Oberflächenstruktur sind.

In der Praxis versucht man jedoch meist die Stromstärke konstant zu halten und regelt dazu die Höhe der Spitze entsprechend nach, sodass ihr Abstand zur der Probe unverändert bleibt. So fährt die Spitze die Oberfläche ab – ganz ähnlich, wie die Nadel eines Plattenspielers die Rillen einer Schallplatte ertastet.

Das ganz Konzept versagt allerdings, wenn die Probe aus einem nicht leitfähigen Material besteht, einem Isolator. Hier kann kein Tunnelstrom fließen, und die Spitze rammt ungebremst in die Probe. So erging es zunächst auch Kirill Bobrow, Andrew Mayne und Gérald Dujardin von der Université Paris-Sud, als sie versuchten eine Diamantoberfläche mit dem Mikroskop zu untersuchen.

Doch siehe da, wählten die Forscher eine etwas höhere Spannung zwischen Spitze und Probe von 5,9 Volt, so floss ein Strom von 1,1 Nanoampere, und die Oberfläche der Probe erschien zeilenweise auf dem Bildschirm. Die Auflösung war hervorragend: Eine Terrassenstruktur wurde sichtbar, durchzogenen von hellen und dunklen Streifen, deren Periodizität von einem halben Nanometer sehr gut den Bindungsabstand zwischen zwei Kohlenstoffatomen widerspiegelte. Aber wie kam dieses Bild zustande?

Dazu muss man sich ein einfaches Modell der elektronischen Zustände des Diamanten vorstellen: In dem Isolator ist nämlich das so genannte Valenzband mit Elektronen voll besetzt. Hier haben die Ladungsträger keinen Platz mehr sich zu bewegen, deshalb kann auch kein Strom fließen. Das darüber liegende Leitungsband enthält keine Elektronen, also kann auch hier kein Stromfluss stattfinden. Schließlich sind Valenzband und Leitungsband durch eine 5,5 Elektronenvolt große Energielücke getrennt – zu viel, als dass ein Elektron vom unteren ins obere Band springen und dort für Stromfluss sorgen könnte.

Das ist aber auch gar nicht nötig. Da die Forscher eine Spannung von 5,9 Volt zwischen Spitze und Diamant-Probe anlegt hatten, befanden sich die leitenden Elektronen der Metallspitze in etwa auf dem gleichen energetischen Niveau wie das leere Leitungsband des Diamanten. Elektronen konnten also direkt von der Spitze zum Diamanten tunneln und dort Ströme leiten.

Dabei wirkte die Tunnelbarriere zusätzlich wie ein Filter, der nur Elektronen durchließ, die von der Spitze geradewegs nach unten in die Oberfläche tunnelten – ein Grund, weshalb sich eine atomare Auflösung erreichen ließ. Die Forscher gehen davon, dass sich ihre Methode auch für andere isolierende Materialien eignen wird, vorausgesetzt sie besitzen eine ähnlich große Bandlücke und die Elektronen können dort ebenfalls lange Wege zurücklegen, ohne frühzeitig von einem Defekt im Kristallgitter geschluckt zu werden.