Rastertunnelmikroskopie an ultraflachen Goldoberflächen

Neue STM-Bildgebungsstudie enthüllt verblüffende Details im atomaren Maßstab auf ultraflachen Goldoberflächen.

Ultraflache Goldoberflächen ermöglichen eine Bildgebung mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis für AFM- und STM-Anwendungen. Aufgrund ihrer ultraglatten Topografie wurden diese Oberflächen zur Untersuchung von 2D-Materialien, Einzelstränge der DNA, selbstorganisierende Monoschichten, nano-plasmonische Geräteund Zellmembran-Monoschichten.    

In einer neuen Bildgebungsstudie hat Dr. Árpád Pásztor von der Universität Genf in der Schweiz Rastertunnelmikroskopie (STM) Messungen an ultraflachen Goldoberflächen von Platypus Technologies durchgeführt. Bei den Proben handelte es sich um frisch gestrippte Goldoberflächen, die auf Siliziumwafern (AU.1000.SWTSG). Diese Experimente wurden bei niedriger Temperatur (77 K) unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt. Die daraus resultierenden hochauflösenden Bilder, die uns freundlicherweise von Dr. Pásztor zur Verfügung gestellt wurden und nachstehend mit seiner Genehmigung wiedergegeben werden, offenbaren verblüffende neue Details auf den ultraflachen Goldoberflächen von Platypus Technologies.

Abbildung 1: (a) AFM- und (b) STM-Bild einer ultraflachen Goldoberfläche von Platypus Technologies.

Eine erste Prüfung der STM-Bilder zeigt Goldkörner mit Abmessungen von mehreren hundert Nanometern. A vorherige Studie mit Elektronenrückstreuungsbeugung (EBSD) wurden Bereiche von 160 μm x 200 μm der ultraflachen Goldoberfläche analysiert und der durchschnittliche Durchmesser und die Fläche der Goldkörner mit 2,96 μm und 3,64 μm gemessen2jeweils. Ein Blick auf die Höhenskala (rechts im STM-Bild, Abbildung 1b) bestätigt, dass die Oberfläche über den gesamten untersuchten Bereich eine gleichmäßige Höhentopografie aufweist. Mit Ausnahme der Korngrenzen sind die gesamte Oberfläche hat eine ähnliche Höhe und Höhenunterschiede sind innerhalb ein (1) Nanometer. 

Lineare Scans der ultraflachen Goldoberfläche liefern quantitative Messungen der Oberflächenhöhe. Abbildung 2 zeigt ein repräsentatives STM-Bild und drei Höhenprofile aus linearen Scans. Diese Daten zeigen, dass innerhalb jedes Goldkorns die Oberflächenhöhe variiert deutlich weniger als 1 Nanometerund die Abnahme der Höhe, die den Korngrenzen entspricht, beträgt nur ~1 bis 2 Nanometer. Zum Vergleich: Die Dicke der Zellmembran ist ~4 Nanometer.

Abbildung 2(a) STM-Bild einer ultraflachen Goldoberfläche; rote Linien zeigen die Position der linearen Scans an. (b-d) Höhenprofile von drei verschiedenen linearen Scans. Man beachte, dass die y-Achse von 5-9 Nanometern reicht, während die x-Achse von 0-2 Mikrometern reicht. Innerhalb eines Goldkorns beträgt die Höhenvariation viel weniger als 1 Nanometer. An den Korngrenzen nimmt die Höhe um ~1-2 Nanometer ab.

Als Nächstes wurden in der Bildgebungsstudie Höhenunterschiede im Nanometerbereich der Goldoberfläche innerhalb jedes Korns charakterisiert (Abbildung 3). Die Bilder zeigen, dass jedes Korn aus mehreren Körnern besteht gestapelte Terrassen aus Gold. Bei genauer Betrachtung der Bilder stellen wir fest, dass der Höhenunterschied von Terrasse zu Terrasse ~0,2 Nanometer beträgt, ein Wert, der mit der durch die linearen Scans in Abbildung 2 gemessenen Höhenvariation innerhalb des Korns übereinstimmt. 

Abbildung 3(a) Hochauflösendes STM-Bild einer ultraflachen Goldoberfläche. (b) Die Zoom-Ansicht des Bildes zeigt Terrassen aus Gold.

Ein hochauflösendes STM-Bild eines 100 nm x 100 nm großen Bereichs innerhalb eines Goldkorns ist in Abbildung 4 dargestellt. Auf diesem Bild sind einzelne Goldterrassen deutlich zu erkennen. Die Terrasse in der Mitte des Bildes misst etwa 3.000 nm2. Außerdem stellen wir fest, dass die Höhenunterschiede von Terrasse zu Terrasse in der Größenordnung von einigen hundert Pikometern liegen. Zum Vergleich: Der Durchmesser von Goldatomen in metallischer Bindung beträgt 288 Pikometer. Daher stellen wir die Hypothese auf, dass die beobachteten Blätter innerhalb jedes Korns (Abbildungen 3 und 4) folgenden Elementen entsprechen atomar dichte Terrassen aus Gold, und jede Terrasse entspricht einer einheitliche Ebene der Goldatome. 

Abbildung 4: Hochauflösendes STM-Bild einer ultraflachen Goldoberfläche zeigt gleichmäßige Goldterrassen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass hochauflösende STM-Bilder von ultraflachen Goldoberflächen exquisite Details der Oberfläche erkennen lassen. Die Bilder zeigen große Goldkörner mit gleichmäßiger Oberflächenrauhigkeit über den gesamten untersuchten Bereich. Jedes Korn besteht aus Goldterrassen mit einer Dicke von einem Atom.

Erfahren Sie mehr über Ultra-flache Goldoberflächen

Credits: Alle STM-Bilder und -Daten wurden freundlicherweise von Dr. Árpád Pásztor von der Universität Genf zur Verfügung gestellt. Das Marketingteam von Platypus Technologies hat den Inhalt dieses Blogs verfasst und formatiert. Fragen oder Kommentare? Bitte Kontaktieren Sie uns