Materialdesign auf Atom-Ebene:
Der nächste große Schritt ist getan

Einzelne Atome wie Bausteine setzen und damit Funktionen kon­stru­ieren: Was lange nur Vision war, rückt näher. Forschende haben Platin gezielt in ein 2D-Material eingebracht - und die Position der einzelnen Atome danach so präzise abgebildet, wie nie zuvor.

Atom-Revolution: Platin-Bauteile mit Quantenpräzision

Als Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1981 das Rastertunnelmikroskop entwickelten, eröffneten sie den Blick auf eine Welt, die bis dahin verborgen war: einzelne Atome wurden erstmals sichtbar. Einige Jahre später, 1989, gelang einem IBM-Team ein ikonischer Moment der Nanotechnologie. Mithilfe des Mikroskops positionierten sie 35 Xenon-Atome auf einer Nickel-Oberfläche - und schrieben damit den Schriftzug "IBM" im Maßstab der Atome. Es war der Beweis, dass sich einzelne Atome gezielt bewegen lassen.

Parallel entwickelten sich neue Methoden, um einzelne Atome nicht nur zu bewegen, sondern in physikalischen oder quantentechnologischen Systemen zu nutzen. Mit optischen Pinzetten ließen sich Atome fangen und halten, in Siliziumstrukturen gezielt einzelne Fremdatome einbringen. Doch funktionale, stabile Platzierungen im realen Materialgitter blieben lange eine Herausforderung.


Jetzt zeigt ein Forschungsteam der Universität Wien und der TU Wien, wie sich dieser nächste Schritt zur gezielten Konstruktion Atom für Atom realisieren lässt. In einer nur atomar dicken Schicht aus Molybdändisulfid (MoS₂) implantierten sie einzelne Platinatome gezielt an vorbereitete Gitterstellen. Entscheidend: Mithilfe eines hochauflösenden Mikroskopieverfahrens konnten die Atome anschließend im Materialgitter lokalisiert werden - mit atomarer Präzision.

MoS₂ zählt zu den meistuntersuchten zweidimensionalen Halbleitermaterialien. Es besteht aus nur einer einzigen Schicht von Atomen und besitzt eine direkte Bandlücke - eine seltene Eigenschaft unter 2D-Materialien. Diese Struktur macht es interessant für Sensoren und Katalysatoren. Das Problem: Die chemische Oberfläche ist relativ inaktiv, was den Nutzen in reaktiven Umgebungen einschränkt. Material vor und nach Defekterzeugung und Platin-Dotierung (Lamprecht et al.) Um das zu ändern, nutzten die Forscher ein dreistufiges Verfahren. Zunächst erzeugten sie durch niederenergetische Helium-Ionenstrahlen gezielt Defekte im Material - Stellen, an denen einzelne Schwefelatome aus dem Gitter entfernt wurden. Im zweiten Schritt wurden Platinatome auf die vorbereitete Oberfläche verdampft. Die Atome siedelten sich bevorzugt an den vorher erzeugten Lücken an.

Im dritten und entscheidenden Schritt kam ein spezielles bildgebendes Verfahren zum Einsatz: die sogenannte Single-Sideband Ptychographie (SSB). Diese nutzt Elektronenbeugung, um auch leichte Elemente und feine Defektstrukturen im Material sichtbar zu machen - mit höherem Kontrast und Auflösung als die klassisch in diesem Bereich eingesetzte Trans­missions­elektronen­mikroskopie. So konnte nachgewiesen werden, dass mehr als 80 Prozent der Platinatome sich in einfachen Schwefel-Leerstellen (V1S) einlagerten. Die Publikation wurde in Nano Letters veröffentlicht (2025, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c00919).

Feynmans Vision

Was diese Studie zeigt, ist mehr als ein methodischer Fortschritt: Sie demonstriert, dass sich funktionale Eigenschaften nicht nur verändern, sondern regelrecht entwerfen lassen - nicht mehr statistisch, sondern gezielt, mit atomarer Auflösung. Heute wird damit langsam greifbar, was Binnig und Rohrer mit ihrem Mikroskop erstmals sichtbar machten - und was Richard Feynman, einer der einflussreichsten Physiker des 20. Jahrhunderts, schon 1959 als Vision formulierte: die bewusste Konstruktion von Materie, Atom für Atom.


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