Thematische Woche 4. Klassen Strahlung - Kantonsschule Trogen

Thematische Woche - Chemie - 4. Klassen
Strahlung – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie
Reise in die Nanowelt – Zoom auf das Atom
Wir können mit Licht keine Objekte erkennen, die kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichtes sind.
Nano-Instrumente
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Rastersondenmikroskope (SPM) – Nanostrukturen ertasten
Ø Rastertunnelmikroskop (STM)
Ø Rasterkraftmikroskop (AFM)
Elektronenmikroskop (EM)
Das Rastertunnelmikroskop
Für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (engl.: scanning tunneling microscope, STM), wurden die
Forscher Gerd Binnig und Heinrich Rohrer im Jahr 1986 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Im STM
wird eine spitze Metallnadel bis auf eine Entfernung von einem Nanometer an die Probenoberfläche herangeführt,
ohne sie zu berühren. Legt man eine elektrische Spannung an, fliessen Elektronen zwischen der Nadelspitze
und der Probenoberfläche („Tunnelstrom“). Dieser Effekt ist nur mit der Quantenphysik erklärbar, denn
in dem Zwischenraum ist nichts, das die geladenen Teilchen leiten könnte.
Die Spitze fährt anschliessend in versetzten Linien
über die Oberfläche hinweg. Bei konstantem Strom
hält die bewegliche Nadel in ihrer Auf- und Ab-Bewegung
immer den gleichen Abstand zur Probe.
Kommt sie beispielsweise einem Atom nahe, steigt
der Tunnelstrom an und sie wird mechanisch so
lange gehoben, bis die eingestellte Stromstärke
wieder erreicht ist. Sinkt der Strom, wird sie abwärts
bewegt. Ein Computer zeichnet die Hebe- und
Senkbewegungen der Nadel auf und wandelt sie in
ein Abbild aller Atome der Oberfläche um.
Abb.: Nanostrukturen werden durch Rastertunnelmikroskope
sichtbar
Das Rasterkraftmikroskop
Bei der Rasterkraftmikroskopie (engl.: atomic force microscopy, AFM) ist das Bauprinzip anders und lässt sich
eher mit einem Plattenspieler vergleichen. Die Sondenspitze ist auf einer Biegefeder aus Silizium oder Siliziumnitrid
(Cantilever) angebracht und fährt dicht über die Probenoberfläche hinweg. Kommt sie einem Oberflächenatom
nahe, wird die Spitze durch Abstossungskräfte zwischen Sonden- und Oberflächenatom hochgedrückt,
was wiederum den Cantilever-Arm auslenkt. Diese Bewegung wird mit einem Laserstrahl registriert,
der auf die Oberseite des Cantilevers gerichtet ist: Wenn sich der Cantilever verbiegt, ändert sich der Reflexionswinkel
des Laserstrahls. Ein Lichtsensor misst dieses Signal und überträgt es an den Computer.
Das Elektronenmikroskop
Im EM können die elektrisch geladenen Teilchen von einem glühenden Wolframdraht erzeugt werden. Ein
elektrisches Feld im Inneren einer aufrecht stehenden Röhre beschleunigt die Teilchen. Durch magnetische
Spulen, die als Linsen fungieren, entsteht ein gebündelter Elektronenstrahl. Dabei muss im Elektronenmikroskop
ein Vakuum herrschen, da der Strahl sonst durch Gasteilchen gestreut würde. Der Strahl trifft auf die
Probe am unteren Ende des Mikroskops und wird auf verschiedene Arten sichtbar gemacht.
Das Raster-Elektronenmikroskop (wichtig im Bereich Nanotechnologie)
Beim Raster-Elektronenmikroskop (REM) wird der Elektronenstrahl zu einem möglichst kleinen Fleck gebündelt
und zeilenweise über den gewünschten Ausschnitt der Probe geführt. Treffen die reflektierten oder aus
der Probe herausgeschlagenen Elektronen (Sekundärelektronen) auf einen Detektor, werden sie durch einen
Verstärker in optische Signale auf einem Bildschirm umgewandelt. REM-Bilder sehen sehr plastisch aus und
sind daher in der wissenschaftlichen Fotografie beliebt.
Warum wird man Atome nie mit einem optischen Mikroskop sehen können?
Kantonsschule Trogen 12