Wiener Forscher verschieben einzelne Atome in Graphen

Mithilfe eines Elektronenstrahls haben Forscher der Uni Wien einzelne Siliziumatome präzise in Graphen - eine nur eine Atomlage dünne Kohlenstoffschicht - verschoben. Wie sie im Fachjournal „Nano Letters“ berichten, konnten sie ein Siliziumatom wiederholt zwischen zwei benachbarten Positionen hin- und herschieben - was das Potenzial von Fremdatomen in Graphen, als Bit zu dienen, demonstriert.

Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopen kann man schon seit den 1980er-Jahren einzelne Atome manipulieren, also austauschen oder neu anordnen. Seit einigen Jahren gibt es mit der Rasterdurchstrahlungselektronenmikroskopie (STEM) ein in seiner Funktion grundlegend anderes Werkzeug dafür. Bei der STEM wird ein hochpräziser Elektronenstrahl erzeugt, mit dem man in zweidimensionalen Materialien jedes Atom direkt sehen kann.

Vor einigen Jahren entdeckte Toma Susi von der Abteilung Physik Nanostrukturierter Materialien der Universität Wien, dass sich mit dem Elektronenstrahl Atome nicht nur betrachten, sondern auch manipulieren lassen. Sie stoßen dabei mit dem Elektronenstrahl ein weniger stark gebundenes Kohlenatom gerade so weit aus dem Graphen-Gitter, dass es mit einem benachbarten Siliziumatom die Plätze tauscht. 2014 berichteten sie, wie mithilfe des Elektronenstrahls einzelne Siliziumatome in Graphen verschoben werden können, ohne dabei das ultradünne Graphen-Gitter zu beschädigen. Die Bewegung der Siliziumatome erfolgte damals allerdings noch mehr oder weniger zufällig, erklärte Susi gegenüber der APA.

Speicher der Zukunft?

Mit einem 2017 zuerkannten, mit 1,5 Millionen Euro dotierten „Starting Grant“ des Europäischen Forschungsrats (ERC) arbeitete der Physiker daran, ein praktisches Verfahren zur Elektronenstrahl-Manipulation zu entwickeln, was ihm nun gelungen ist. Mit einem Hochleistungselektronenmikroskop konnten die Forscher einzelne Siliziumatome in Graphen präzise bewegen und durch das Graphen-Gitter steuern. Insgesamt erzielten sie fast 300 kontrollierte Atomsprünge. „Die Präzision, die wir erreichen können, indem wir den Elektronenstrahl per Hand in jede beliebige Richtung steuern, ist bemerkenswert“, sagte Susi, der mittlerweile an einer Automatisierung des Prozesses arbeitet.

Die Wissenschafter demonstrierten auch, wie sie ein Siliziumatom wiederholte Male zwischen zwei benachbarten Atompositionen hin- und herverschoben - so als ob man einen atomaren Schalter umlegen würde. Sie konnten damit im Prinzip ein Bit demonstrieren. „Dotieratome wie Silizium in Graphen haben das Potenzial als Bits zu dienen, und dies mit einer Dichte nahe am Limit des physikalisch Machbaren“, erläuterte Susi. Ein atomarer Speicher im Computer oder Handy sei allerdings noch nicht in Sicht, schränkte der Physiker ein.