In den letzten fünf Jahren hat die sogenannte Aberrationskorrektur die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) revolutioniert. Mit Hilfe dieser neuen Gerätetechnik sind Forscher nun in der Lage, Atompositionen im Pikometerbereich genau zu bestimmen. Jetzt verbuchen Wissenschaftler der Universität Ulm und ihre Kooperationspartner einen weiteren Erfolg: Erstmals konnten sie experimentell nachweisen, dass die Details im Bildkontrast hochauflösender Elektronenmikroskopie-Abbildungen nicht nur strukturelle Informationen, also die Positionen der Atome, sondern auch Informationen über die lokale Verteilung der Elektronen enthalten. Neben neuen Wegen in der Elektronenmikroskopie und Datenanalyse waren dazu auch die Präparation von atomar genau definierten Proben sowie die Verwendung von niedrigeren Strahlenenergien notwendig. Nur so kann eine Schädigung der Probe im Elektronenstrahl vermieden werden. Diese Forschungsarbeiten sind eingebettet in das Ulmer Großprojekt SALVE (Sub-Angström Low-Voltage Electron Micorscopy), in dessen Rahmen neue Methoden und Gerätetechnik für atomare Abbildungen bei niedrigen Spannungen entwickelt werden sowie in den Sonderforschungsbereich 569 (SFB 569) „Hierarchische Strukturbildung und Funktion Organisch-Anorganischer Nanosysteme". SALVE wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Baden-Württemberg gefördert, der SFB 569 durch die DFG. Partner im SALVE-Projekt sind die baden-württembergischen Firmen Carl Zeiss AG und die Corrected Electron Optical Systems GmbH (CEOS).
Mit dem neuen Ansatz untersuchen die Wissenschaftler zweidimensionale Materialen von aktuellster technologischer Relevanz: Zum einen das mit Stickstoff dotierte zweidimensionale Material Graphen, eine Monolage von Kohlenstoffatomen, dessen Entdeckung kürzlich mit dem Nobel-Preis geadelt wurde, und zum anderen das neue zweidimensionale Material Bornitrid.
Für das dotierte Graphen kann die Ladungsverschiebung in den Nachbaratomen der Stickstoffdotierung experimentell überprüft werden. Das Verständnis der elektronischen Struktur von Defekten ist dabei eine wichtige Voraussetzung für die weitere Funktionalisierung dieses Materials.
Dank des neuen Ansatzes kann in der Bornitrid-Monolage die partiell ionische Natur der Bornitrid-Verbindung überprüft werden. Die Forschungsarbeit zeigt außerdem, dass für TEM-Messungen mit hoher Präzision neue Methoden zur Bildberechnung und -analyse notwendig sind, die die Verteilung der Valenzelektronen in den chemischen Bindungen mitberücksichtigen.
Der Artikel „Experimental analysis of charge redistribution due to chemical bonding by High Resolution Transmission Electron Microscopy” ist in der Fachzeitschrift Nature Materials erschienen. An der Universität Ulm sind Prof. Ute Kaiser, Prof. Jannik Meyer (jetzt Universität Wien), Simon Kurasch, Dr. Andrey Chuvilin (jetzt CIC nanoGUNE Consolider) und Gerardo Algara-Siller (zudem TU Ilmenau) von der Zentralen Einrichtung Elektronenmikroskopie sowie Prof. Axel Groß und Daniela Künzel, Institut für Theoretische Chemie, an dem Forschungsprojekt beteiligt. Kooperationspartner ist das Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung mit Dr. Hye Jin Park, Prof. Viera Skakalova, Dr. Siegmar Roth (zudem Korea University), Dr. Takayuki Iwasaki sowie PD Dr. Ulrich Starke und Dr. Jurgen Smet.
„Experimental analysis of charge redistribution due to chemical bonding by High Resolution Transmission Electron Microscopy” von J.C. Meyer, S. Kurasch, H.-J. Park, V. Skakalova, D. Künzel, A. Groß, A. Chuvilin, G. Algara-Siller, S. Roth, T. Iwasaki, U. Starke, Jürgen H. Smet, and U. Kaiser Nature Materials 2011 doi: doi:10.1038/nmat2941