Mikroskopische Kunstwerke

Der Blick durchs Mikroskop eröffnet eine neue Welt

Nur weil wir etwas nicht sehen, heißt das nicht, dass es nicht da ist: Vieles ist für unser bloßes Auge unsichtbar – zum Beispiel molekulare Strukturen. Erst Mikroskope haben uns Einblicke in diese kleinsten Teile ermöglicht. Und was die Forscherinnen und Forscher dadurch zu sehen bekommen, gleicht manchmal moderner Kunst.

Kontrollierte Entnetzung

Dieses Bild – aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop – zeigt einen Goldfilm mit einer Stärke von 20 Nanometern, etwa eintausendmal dünner als ein menschliches Haar. Das Gold wurde im sogenannten Sputterverfahren durch den Beschuss mit energiereichen Ionen zerstäubt und auf eine Schicht aus Molybdändisulfid (MoS₂) aufgebracht. MoS₂ ist ein grafitartiger Stoff, der in der Industrie hauptsächlich als Festschmiermittel eingesetzt wird. „Molybdändisulfid ist für unsere Forschungen hochinteressant, weil es ähnlich wie Graphen als zweidimensionaler Träger fungiert und sich sehr gut mit Metallen verbindet“, erklärt Peter Schweizer vom Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung.

Wird das Gold nach dem Sputtern erwärmt, passt es sich an die Kristallstruktur des Molybdändisulfids an und bildet bei etwa 500 Grad Celsius einen gleichmäßigen Film aus. Mit zunehmender Temperatur aber beginnt ein Prozess der Entnetzung, obwohl der Schmelzpunkt des Goldes noch nicht erreicht ist. Dieser Effekt, der sich mit abnehmender Filmdicke verstärkt, ist ein Problem in der Mikroelektronik, da er zum Lösen von Kontaktstellen und damit zum Versagen ganzer Bauteile führen kann. Die sogenannte „Festphasen-Entnetzung“ kann aber auch gezielt genutzt werden, um Nanopartikel auf Substratbasis herzustellen, deren Größe, Form und Reihenfolge sich durch verschiedene Parameter steuern lassen.

In der Mikroskopaufnahme sind die charakteristischen Dreiecke zu sehen, die das Gold bei beginnender Entnetzung ausbildet, weil es der Kristallografie des Trägermaterials folgt. Durch eine kontrollierte Erhöhung der Temperatur können die Forscher um Prof. Dr. Erdmann Spiecker die Löcher so weit vergrößern, dass letztlich ein dünnes Netz aus Goldbahnen entsteht. Dieser Prozess des „Templated dewetting“ könnte künftig genutzt werden, um Metallnetze herzustellen, die elektrisch leitfähig und dennoch lichtdurchlässig sind. Solche transparenten Stromleiter sind beispielsweise für die Fotovoltaik interessant, weil sie dazu beitragen können, die nutzbare Lichtabsorbtionsfläche von Solarmodulen zu vergrößern und damit ihre Effizienz zu erhöhen.

Sterne am Halbleiterhimmel

Dieses Bild zeigt ein zweidimensionales Kohlenstoffgitter. Die sternförmigen, etwa drei Nanometer großen Ringe bestehen jeweils aus sechs dreieckigen Molekülen, die sich wiederum aus 21 Kohlenstoff- und drei Sauerstoffatomen sowie einem Stickstoffatom zusammensetzen. Die Struktur ist das Ergebnis eines mehrstufigen Verknüpfungsprozesses: Kohlenstoffmoleküle werden in einer Vakuumkammer verdampft und setzen sich auf einem Goldfilm ab, der als Katalysator dient. Beim Erhitzen auf etwa 280 Grad Celsius verbinden sich die Moleküle eigenständig – zunächst zu eindimensionalen Ketten, in einem zweiten Schritt zu einem zweidimensionalen Netzwerk.

Im SFB 953 „Synthetic Carbon Allotropes“ werden die elektronischen, optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften solcher Kohlenstoffmaterialien erforscht. Weil sich Kohlenstoff nahezu unbegrenzt an sich selbst und an fast jedes andere Element binden kann, besitzt er die idealen Voraussetzungen für die maßgeschneiderte Synthese zu vielfältigen funktionalen Bausteinen, die in der Nanoelektronik, der Fotovoltaik, in Sensoren, in Batterien oder in Superkondensatoren Anwendung finden könnten. „Wo die Siliziumtechnologie hinsichtlich Skalierbarkeit und Wirkungsgrad an ihre grundlegenden Grenzen stößt, können Kohlenstoff-Allotrope völlig neue Perspektiven eröffnen“, sagt Prof. Dr. Sabine Maier, Inhaberin der Professur für Rastersondenmikroskopie.

Die Experimentalphysikerin analysiert vor allem die atomare Struktur und die Bandlücke der 2D-Kohlenstoffnetzwerke. Die Bandlücke ist eine Art Barriere für die Anregung von Elektronen zwischen den Energiebändern in Festkörpern und damit ein entscheidendes Kriterium für die Anwendung von Halbleitern in elektronischen Bauelementen. Dafür tastet die Wissenschaftlerin das Molekülgitter mit einem Rastertunnelmikroskop ab und kann so die Topografie der Probe bis auf einzelne Atome genau bestimmen – jeweils im Vakuum bei minus 268 Grad Celsius. Maier: „Dass sich die Bandlücke mit zunehmender Dimensionalität verringert, konnten wir erstmals für kovalent-gebundene organische Molekülstrukturen auf Metalloberflächen nachweisen.“

Goldschwamm im CT

Dieser zylindrische Goldschwamm hat einen Durchmesser von wenigen Mikrometern. Um das poröse Netzwerk herzustellen, wird eine Legierung aus Gold und Silber zunächst mit Salpetersäure behandelt, wodurch sich die Silberatome selektiv lösen. Die Größe der Verbindungsstege der Struktur, in der Fachsprache „Ligamente“ genannt, kann über eine anschließende Wärmebehandlung gezielt eingestellt werden und beträgt im gezeigten Beispiel etwa 300 Nanometer. Die Abbildung ist das Ergebnis einer 3D-Analyse mittels hoch aufgelöster Röntgentomografie: Die Probe wird dabei von allen Seiten durchstrahlt – ähnlich wie bei einer CT-Aufnahme in der Medizin. Über spezielle Rekonstruktions-Algorithmen und anschließendes Rendering wird aus den zweidimensionalen Tomografiedaten dann das dreidimensionale Bild gewonnen.

Das Graduiertenkolleg 1896 „In-situ-Mikroskopie mit Elektronen, Röntgenstrahlen und Rastersonden” erforscht unter anderem die mechanischen Eigenschaften von solchen entlegierten, offenporösen Materialien. Dafür werden unterschiedlich strukturierte Goldschwammproben mechanisch belastet und gleichzeitig unter dem Mikroskop betrachtet. Zum Einsatz kommt dabei neben dem erwähnten Nano-CT auch ein Transmissionselektronenmikroskop. „Auf diese Weise beobachten wir Verformungen direkt auf atomarer Ebene“, erklärt Dr. Benjamin Apeleo Zubiri, Mitarbeiter am Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung. „In Kombination mit tomografischen Methoden und korrelativen Simulationen können wir darüber hinaus herausfinden, welchen Einfluss beispielsweise Ligamentgröße, Netzwerkarchitektur oder spezielle Kristalldefekte auf die Festigkeit oder die Elastizität der Proben haben.“

Nanostrukturierte Netzwerke sind für vielfältige Anwendungen interessant: Metallschwämme können die Basis ultraleichter Bauteile mit besonderen Dämpfungseigenschaften sein. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wie der einfachen Einstellbarkeit der Ligamentgröße und der großen inneren Oberfläche besitzen sie ein hohes Potenzial für den Einsatz als Katalysatormaterial, als elektrochemische Sensoren oder als Elektrodenmaterial in Brennstoffzellen.

Ein Hort für Mikroskope

Selbst mit gängigen Mikroskopen kommen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei Strukturen auf atomarer Ebene irgendwann nicht mehr weiter. Dann hilft nur noch ein Blick in Hochleistungsmikroskope. An der FAU können Forscherinnen und Forscher am Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM) auf modernste Mikroskopieverfahren zugreifen, um einen Blick in die Welt der allerkleinsten Teilchen zu werfen. Das CENEM ist 2010 aus dem Exzellenzcluster „Engineering of Advanced Materials“ der FAU entstanden und verfolgt das Ziel, Methoden der hochauflösenden Mikroskopie und Nanocharakterisierung an der FAU zu bündeln, um sie effizient für die Erforschung neuer Materialien und Prozesse einzusetzen. Die Vielfalt an Methoden, die am CENEM zum Einsatz kommen, ist dabei in Deutschland einzigartig: Von hochauflösenden Verfahren der Elektronenmikroskopie über Röntgen- und Neutronenstreumethoden bis hin zur Rastersondenmikroskopie ist hier alles vorhanden. Im Bereich der tomografischen Verfahren verfügt das CENEM über eine vollständige Palette skalenübergreifender Tomografietechniken, von der Atomsondentomografie über diverse Elektronentomografieverfahren bis hin zur Nano-Computertomografie mit Röntgenstrahlen. Diese Vielfalt spiegelt sich auch in den Bereichen wider, in denen das CENEM aktiv ist: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Naturwissenschaften forschen hier genauso wie Forscherinnen und Forscher aus den Material- und Ingenieurwissenschaften.

Interview mit Prof. Dr. Erdmann Spiecker, Sprecher des CENEM

FAU-Forschungsmagazin friedrich

Dies ist ein Beitrag aus unserem Forschungsmagazin friedrich. Die aktuelle Ausgabe nimmt Sie mit auf eine Entdeckungsreise ins „Verborgene“: Sie schaut auf für unser Auge unsichtbare, oftmals von uns unbemerkte und vor uns versteckte Dinge. Sie wirft aber auch einen Blick dorthin, wo wir gar nicht hinsehen wollen: auf Tabus.

Ein Print-Exemplar können Sie sich direkt an einer der vielen Auslagen der FAU mitnehmen oder unter presse@fau.de kostenfrei bestellen.