Ein Forscherteam der Universität Basel hat erstmals die mechanische Abnutzung einer Metalloberfläche mit atomarer Auflösung analysiert. Dazu kratzten die Wissenschaftler mittels der Spitze eines Rasterkraftmikroskops einen nur wenige Nanometer tiefen Graben in eine Kaliumoberfläche. Die abgetragenen Atome ordneten sich überraschenderweise in einer periodischen Ordnung um den Graben an. Darüber berichtet das Fachblatt Physcial Review Letters (Band 88 Referenznummer 215501). Eine genaue Kenntnis der mechanischen Abnutzungsvorgänge im Nanometerbereich soll die Herstellung von ultrakleinen elektromechanischen Geräten erleichtern.
Die Forschergruppe um Ernst Meyer benutzte für ihre Analysen ein Rasterkraftmikroskop, das die auf dessen Spitze wirkenden horizontalen und vertikalen Kräfte bei der Bewegung über eine Metalloberfläche ausmessen kann. In ihrem Experiment führten die Wissenschaftler zunächst die Spitze des Mikroskops als eine “mikroskopische Harke”, um einen nur wenige Nanometer breiten und tiefen Graben in die Oberfläche eines Kaliumkörpers zu kratzen. Danach bildeten die Forscher diesen “Atomgraben” durch eine vorsichtigere Bewegung der Mikroskopspitze über die Oberfläche mit atomarer Auflösung ab.
Das Ergebnis der Studie ist überraschend. Die durch die Mikroskop-Harke abgetragenen Atome ordnen sich nicht in chaotisch zu beiden Seiten des Grabens ? analog zu den Blättern beim Rechen eines Gartens ? an, sondern in periodischer Ordnung. Dies ist wohl eine Folge des Bestrebens der abgetragenen Atome, ihren Energiezustand zu minimieren, so dass sie sich in konformer Weise entlang der Kristallstruktur der Oberfläche anordnen (man spricht von Oberflächenrekonstruktion).
Die Analyse der auf die Mikroskopspitze beim Kratzen des Grabens wirkenden horizontalen und vertikalen Kräfte ermöglichte auch die Bestimmung der Aufteilung der aufgebrachten “Grabungsenergie”. Zwei Drittel dieser Energie dienen demnach zur Anregung von Gitterschwingungen in dem Kristall (so genannten Phononen), das restliche Drittel zum Aufbrechen der Bindungen der Oberflächenatome und damit zum eigentlichen Graben.
Diese Arbeit stellt die bisher genaueste Untersuchung mechanischer Abnutzungsvorgänge mit atomarer Auflösung dar und hat innerhalb kurzer Zeit Beachtung bei zahlreichen an der Herstellung von elektromechanischen Maschinen (MEMS) im Mikro- und Nanometerbereich arbeitenden Wissenschaftlern gefunden. Eine genaue Kenntnis der mechanischen Abnutzungsvorgänge könnte die Herstellung von derartigen Maschinen erleichtern.
Stefan Maier
