Quantenkorallen und Nanoplasmonik mit Graphen-Heteroatomen

ZielProjektes Quantenkorallen und Nanoplasmonikmit Graphen-Heteroatomen (HeQuCoG) ist es, im Graphen Gitter eingebettete atomar präzise Strukturen aus Silizium und Phosphoratomen zu erzeugen. Dies wird erreicht durch die Kombination von bewährten Modellierungstechniken mit derSample-Herstellung,über sorgfältig gesteuerte Ionenimplantationundanschließende Manipulationineinem Atomauflösenden Rastertransmissionselektronen-mikroskop (STEM). Die Strukturen werden digital für interessante nanoplasmonische Verbesserungen und Eigenschaften von Quanteneinschluß entworfen, und durch Elektronenenergieverlust -Spektroskopie Zuordnung im STEM charakterisiert. Das erwartete Ergebnis ist die erst-malige systematische Demonstration von Material-Design auf wirklich atomarer Ebene und die Erstellung von freistehenden "Quantenkorallen" Strukturen. Die kontrollierte Manipulation von Materie auf der atomaren Ebene ist tatsächlich ein langjähriger Traum der Nanotechnologie. Wegweisende Richtungen sind bereits untersucht worden, vor allem mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie. Im Vergleich zu der Manipulation von Oberflächenatomen haben Graphen Heteroatome den Vorteil, dass sie bei Raumtemperatur stabil sind, und selbst wenn die Probe aus dem Gerät genommen wird. Darüber hinaus ist die Kopplung von Licht an Nanostrukturen mittels Plasmonenresonanzen ein intensiv verfolgtes und vielversprechendes Forschungsfeld, von dem Durchbrüche im Material-Design zu erwarten sind.

Materialien werden über ihre chemische Struktur definiert, d.h. welche Atome wo angeordnet sind. Um die Materialeigenschaften zu kontrollieren, kann man die Atome entweder neu anordnen oder austauschen. Das einzige Gerät, mit dem man direkt einzelne Atome manipulieren kann, ist bisher das Rastersondenmikroskop - damit lassen sich seit den späten 1980ern schwach gebundene Atome über Oberflächen weit unterhalb der Raumtemperatur bewegen. Erst seit einigen Jahren ist es möglich, mit einem in seiner Funktion grundlegend anderen Instrument, dem Rasterdurchstrahlungselektronenmikroskop (STEM), einen Elektronenstrahl mit subatomarer Präzision zu erzeugen. Damit können ForscherInnen jedes Atom in zwei-dimensionalen (2D) Materialien wie Graphen direkt sehen und den Elektronenstrahl auch auf einzelne Atome fokussieren. Im Jahr 2014 entdeckte Susi, dass Silizium-Fremdatome, die man gelegentlich in Graphen vorfinden kann, während der Bildaufnahme einen Sprung vollführen. Computersimulationen erklärten den zugrundeliegenden Mechanismus - ein Elektron "stößt" ein dem Silizium-Atom benachbartes Kohlenstoff-Atom - und zeigten dabei, dass der Elektronenstrahl verwendet werden kann, um stark gebundene Materialien mit atomarer Genauigkeit zu manipulieren. Mit der finanziellen Unterstützung des Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Fakultät für Physik der Universität Wien gelang Susi im 2017 die erste kontrollierte Bewegung eines Silizium-Atoms. Aufbauend auf den Forschungsergebnissen der letzten Jahre gelang es nun dem Projekt-Team einzelne Siliziumatome in Graphen mit beindruckender atomarer Präzision zu bewegen. Selbst bei manueller Handhabung ist diese beindruckende Technik bereits jetzt in der Lage diese gezielten Bewegungen in vergleichbarer Geschwindigkeit zu allen anderen bekannten präzisen Techniken durchzuführen. In weiteren Experimenten konnten die Forscher auch Phosphorverunreinigungen kontrollieren, die interessante elektronische und magnetische Eigenschaften aufweisen und potenzielle Anwendungen in Bereichen wie dem Quantencomputing finden könnten. Das Projekt konnte daher die Elektronenmikroskopie als neuartiges Werkzeug zur Manipulation von Atomen etablieren.