Frühjahrsputz auf der Nanoskala

Der kleinste Besen der Welt

Die Forscher ließen sich für ihre Methode von Erfahrungen des Alltags inspirieren. Ähnlich einem Besen wird eine feine Metallspitze über die Oberfläche bewegt und schiebt die Kontamination vor sich her.

„So wie ein normaler Besen Staub oder Krümel vom Boden entfernt, kann unser kleiner `Nanobesen´ am besten solche Kontaminationen aufnehmen, die schwach an der Oberfläche gebunden sind“, erläutert Prof. Spiecker, Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Mikro- und Nanostrukturforschung).

Ist das der Fall, lassen sich atomar saubere Oberflächen erzeugen. „Natürlich wird der `Nanobesen´ nur indirekt mit der Hand bedient, nämlich über einen Joystick, der einen feinen Piezomotor steuert. Außerdem setzen wir modernste Elektronenmikroskope ein, um den Reinigungsprozess direkt beobachten und kontrollieren zu können.“

Reinigen von Graphen – dünner geht‘s nicht

Das Forscherteam stellte sich eine besondere Herausforderung: das Reinigen von Graphen, dem dünnsten Material der Welt. Graphen besteht lediglich aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen und zeigt herausragende Eigenschaften, die bereits in vielfältigen Anwendungen genutzt werden.

„Kontamination ist bei Graphen natürlich ein besonderes Problem, da das Material ausschließlich aus Oberfläche besteht,“ erläutert Peter Schweizer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung, der die herausfordernden mikroskopischen Arbeiten gemeinsamen mit seinem Kollegen Christian Dolle durchgeführt hat.

„Wir mussten das Verfahren außerdem weiterentwickeln, um das Graphen von beiden Seiten, das heißt von oben und unten, reinigen zu können.“ Das ist auch deshalb wichtig, da die Elektronenmikroskope in Transmission arbeiten. Nur so lässt sich die atomare Struktur des Materials auflösen. Das Reinigen einer Seite wäre daher nicht ausreichend – ähnlich wie bei einem Fenster, durch das man nachher durchgucken möchte. Graphen ist bekannt für seine extrem hohe mechanische Belastbarkeit.

„Trotzdem ist es absolut erstaunlich, dass eine einzige Atomlage die hohen mechanischen Kräfte des Reinigungsprozesses aushält, ohne dabei kaputt zu gehen“, sagt Prof. Spiecker. „Als wir das zum ersten Mal unseren Fachkollegen erzählten, wollten sie es fast nicht glauben.”

Nanostaub: Nichts bleibt ewig sauber

Die Forscher beschäftigten sich aber nicht nur mit der Reinigung der Oberflächen. Durch die Möglichkeit, eine atomar saubere Oberfläche zu erzeugen, konnten sie auch die Mechanismen der Rekontamination auf der Nanoskala studieren. Dass eine einmal gereinigte Oberfläche nicht ewig sauber bleibt, ist auch eine leidige Alltagserfahrung:

Nach einiger Zeit setzt sich der Staub wieder und man muss erneut zum Besen greifen. „Warum sollte das auf der Nanoskala anders sein?“ sagt Prof. Spiecker. Das Forscherteam konnte jedoch zeigen, dass auf der Nanoskala die Rekontamination durch Oberflächendiffusion noch wichtiger ist, insbesondere wenn die Oberfläche im Vakuum gehalten wird, was bei vielen wissenschaftlichen Arbeiten der Fall ist.

„Wir gehen davon aus, dass Moleküle mit hohen Geschwindigkeiten über die gereinigte Oberfläche sausen. Wir sehen sie aber nicht, da sie zu schnell sind.“ Erst wenn sich die Moleküle zu größeren Agglomeraten zusammenschließen, werden sie unbeweglich und zeigen sich als Rekontamination im Mikroskop.

Gezieltes Wachstum

Schließlich nutzte das Team die neuen Erkenntnisse, um auf den frisch gereinigten Graphenoberflächen gezielt atomar dünne Molekülschichten herzustellen. Hierzu werden molekulare Baueinheiten auf der Oberfläche angeboten, sozusagen als künstliche Kontamination.

Die hochenergetischen Elektronen des Mikroskops helfen dann dabei, die Moleküle zu demobilisieren und die Molekülschicht kontrolliert wachsen zu lassen. In einem ersten Ansatz nutzten die Forscher Porphyrin-Moleküle, die in der Organischen Chemie synthetisiert wurden. Als Ergebnis erhielten sie eine graphenartige Monolage mit nanokristalliner Struktur und konnten somit die grundsätzliche Machbarkeit und das Potenzial dieses neuen Ansatzes demonstrieren.

Interdisziplinäre Forschung – eine Stärke der FAU

Die gerade publizierte Arbeit zeigt eine besondere Stärke der FAU im Bereich der Materialforschung: Das interdisziplinäre Forschen über Grenzen der Departments und Fakultäten hinweg. So stellten Prof. Dr. Andreas Hirsch und sein Team vom Department Chemie nicht nur die molekularen Baueinheiten für die Assemblierung von Monolagen zur Verfügung, sondern unterstützen darüber hinaus die Forschungsarbeit mir ihrer weitreichenden Expertise im Bereich der chemischen Prozesse an Oberflächen. Die Zusammenarbeit wurde dabei von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt, und zwar im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 953 ‘Synthetische Kohlenstoffallotrope“ und des Graduiertenkollegs GRK 1896 “In situ Mikroskopie mit Elektronen, Röntgenstrahlen und Rastersonden”. Für die mikroskopischen Arbeiten stütze sich das Team auf die exzellente Ausstattung des Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM) der FAU.

Weiter Informationen
Prof. Erdmann Spiecker
Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung, Department Werkstoffwissenschaften
& Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM)
Erdmann.spiecker@fau.de

Mechanical cleaning of graphene using in situ electron microscopy
P Schweizer, C Dolle, D Dasler, G Abellán, F. Hauke, A. Hirsch, E Spiecker
Nature Communications (2020)
DOI: 10.1038/s41467-020-15255-3
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15255-3