Elektronenblitze schaffen Momentaufnahmen von Vorgängen auf atomarer Ebene

19. Juli 2014, 12:00
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Neues Verfahren zur Untersuchung der Dynamik einzelner atomarer und molekularer Lagen entwickelt

Göttingen - In der Welt von Atomen und Molekülen läuft vieles im kürzesten Zeitabschnitten ab - Ereignisse finden im Bereich von Femtosekunden und Pikosekunden statt, also in Billiardsteln und Billionsteln einer Sekunde. Um Momentaufnahmen der Dynamik im Mikrokosmos zu erhalten, nutzen Forscher daher extrem kurze Röntgen- oder Elektronenblitze. So können schnelle Bewegungen von Atomen und Molekülen in einem Moment festgehalten werden und es werden feinste Unterschiede in der Anordnung und Orientierung atomarer Strukturen sichtbar. Physiker und Chemiker der Universität Göttingen haben nun unter Beteiligung von Forschern des Göttinger Max-Planck-Instituts (MPI) für biophysikalische Chemie ein neues Verfahren entwickelt, die Dynamik einzelner atomarer und molekularer Lagen zu untersuchen.

Das Team um Claus Ropers und Sascha Schäfer hat die neue Technik entwickelt, die auf der Beugung ultrakurzer Elektronenblitze an Oberflächen und dünnen Filmen basiert. "Das Besondere an unseren Experimenten ist, dass wir ultrakurze Elektronenpulse bei vergleichsweise niedriger Energie erzeugen konnten. Damit können wir Schichten analysieren, die nicht dicker als ein einziges Molekül sind", erklärt Max Gulde, Erstautor der Veröffentlichung. "Außerdem haben Elektronen mit niedriger Energie den Vorteil, dass man mit ihnen auch weiche organische Materialien untersuchen kann, ohne sie allzu schnell zu zerstören."

Die erste mit der neuen Technik analysierte Probe besteht aus einer Polymer-Graphen-Doppelschicht. Graphen ist ein Material mit außergewöhnlichen mechanischen und elektronischen Eigenschaften, für dessen Herstellung und Untersuchung der Nobelpreis für Physik im Jahr 2010 vergeben wurde. Es besteht aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen, angeordnet in einer Honigwabenstruktur. Die nachträglich auf das Graphen aufgebrachte Polymerschicht hat sich in einer Art Streifenmuster auf das Graphen gelegt.

Ordnung schwindet und kehrt zurück

Die Forscher haben die strukturelle Reaktion des Polymers beobachtet, nachdem die Doppelschicht mit einem kurzen Energiepuls angeregt wurde. Insbesondere konnte hierbei quantitativ abgebildet werden, wie schnell durch den Energieübertrag vom Graphen auf das Polymer die Ordnung des molekularen Films verlorengeht und nach Abkühlen wieder entsteht.

"Hybridstrukturen auf der Basis von Graphen sind besonders interessant für zukünftige Anwendungen zum Beispiel in der Nanoelektronik, da mit ihnen eine ganz neue Variabilität der Materialeigenschaften erreicht werden kann. Die Beobachtung der Ultrakurzzeitdynamik in solchen Systemen gibt uns die Möglichkeit, Kopplungen und Energietransferprozesse auf atomarer Skala zu untersuchen", erläutert Ropers. Das Verfahren sei auf viele andere Probleme in der Oberflächenphysik anwendbar. (red, derStandard.at, 19.07.2014)

  • Graphische Darstellung der Polymerstränge auf einer wabenförmigen Graphenstruktur. Deutschen Forschern gelang mit einer neuen Technik nun eine Momentaufnahme der molekularen Strukturen.
    grafik: universität göttingen

    Graphische Darstellung der Polymerstränge auf einer wabenförmigen Graphenstruktur. Deutschen Forschern gelang mit einer neuen Technik nun eine Momentaufnahme der molekularen Strukturen.

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