Atome mit einem Elektronenstrahl verschieben
Verschiedene Materialien haben je nach ihrer chemischen Struktur – der Anordnung ihrer Atome – ganz spezifische und einzigartige Eigenschaften. Zweidimensionale (2D) Materialien, die nur aus einer Schicht von Atomen bestehen, bieten völlig neue Möglichkeiten. Graphen ist ein solches 2D-Material, bei dem Kohlenstoffatome (graue Kugeln im Modell unten) in einem Wabengitter angeordnet sind.
Elektronenmikroskope ermöglichen eine erheblich höhere Auflösung als optische Mikroskope, die mit sichtbarem Licht arbeiten und daher nur Objekte bis zu einem tausendstel Millimeter abbilden können. Elektronenmikroskope verwenden stattdessen Elektronenstrahlen und können viel kleinere Objekte bis hin zu einzelnen Atomen abbilden. Das Rasterdurchstrahlungselektronenmikroskop Nion UltraSTEM der Universität Wien ermöglicht eine 50.000.000-fache Vergrößerung, wobei jedes Kohlenstoffatom des Graphengitters als heller Fleck aufgelöst wird (simulierte Abbildung unten).
Gelegentlich kann man im Graphengitter Siliziumverunreinigungen finden. Da der Bildkontrast davon abhängt, wie stark die Elektronen an jedem Atom gestreut werden – was wiederum durch die Ladung des Kerns bestimmt wird, wobei Silizium mehr Protonen als Kohlenstoff aufweist – können wir die Verunreinigungen (größere gelbe Kugeln im Modell unten) in elektronenmikroskopischen Bildern direkt sehen (Bild unten).
Zusätzlich zur Bildgebung können wir den fokussierten Elektronenstrahl des Mikroskops nutzen, um Atome zu bewegen (Animation unten). Jedes Elektron hat eine geringe Chance, vom Kern des anvisierten Atoms zurückgestreut zu werden. Dadurch erhält das Atom einen kleinen Stoß in die entgegengesetzte Richtung (siehe Video oben). In der Praxis lenken wir den Elektronenstrahl, indem wir einen Mauszeiger auf einem Computerschirm, der die Mikroskopelektronik kontrolliert, dorthin bewegen, wohin wir die Verunreinigung ziehen wollen (daher der Name „Tractor Beam„). Besuchen Sie das Online-Simulationsspiel und erleben Sie selbst, wie Atome manipulieren können!
