Um noch kleinere Objekte, wie ein einzelnes Atom sichtbar zu machen, muss die Strahlung eine noch viel kürzere Wellenlänge haben. Doch woher eine solche Wellebnlänge nehmen? 1924 entdeckte der französische Physiker Louis de Broglie, dass sich ein Elektronenstrahl im Vakuum wie eine Strahlung mit sehr kurzer Wellenlänge verhält.

Diesen Effekt machten sich Max Knoll und Ernst Ruska zunutzte und verwendeten 1931 erstmals Elektronen als bilderzeugende Strahlung. Knoll baute 1933 das erste Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und übertraf mit ihm die Auflösung damaliger Lichtmikroskope um das vierfache. Beim TEM durchstrahlt ein Elektronenstrahl die Probe und liefert so ein Abbild des inneren Aufbaus. Die Technik setzt allerdings zweierlei voraus: ein Vakuum und eine hauchdünne Probe. Für heutige TEM-Aufnahmen werden die Proben auf wenige Atomlagen ausgedünnt. Nur dann ergeben sich brillante Aufnahmen. Das Rasterelektronenmikroskop dagegen zeigt die Oberflächenstruktur des betrachteten Gegenstands. Dabei tastet ein gebündelter Elektronenstrahl die zu untersuchende Fläche ab.

Oberfläche eines Silizium-Wafers © Forschungzentrum Jülich

Noch weitergehende Informationen über die Beschaffenheit von Oberflächen und deren Eigenschaften liefert das Rastertunnelmikroskop (RTM), für dessen Entwicklung Gerd Binning und Heinrich Rohrer 1986 den Nobelpreis erhielten. Sein wichtigstes Bauteil ist eine extrem feine Nadel, deren Spitze nur noch aus einem einzigen Atom besteht. Entscheidend für das "Sehen" im atomaren Bereich sind eine empfindliche Mechanik und der Tunnelstrom - ein physikalisches Phänomen, das Zauberei gleicht.

Wenn sich nämlich die "einatomige" Spitze des Mikroskops den Metall-Atomen bis auf wenige Angström nähert, fließt ein Strom, obwohl es zu keiner direkten Berührung zwischen Nadel und Substrat kommt. Der Strom "durchtunnelt" diese Distanz - ein quantenmechanischer Effekt. Die Größe dieses Tunnelstroms hängt davon ab, wie groß der Abstand Spitze - Substrat ist. Mit der Tunnelspitze wird zum Beispiel die Oberfläche eines Halbleiters Zeile für Zeile abgerastert. Vor den Augen der Wissenschaftler entsteht daraus ein Bild. Der Bildaufbau ähnelt der Situation bei einem Monitor, bei dem ebenfalls Zeile für Zeile dargestellt wird.

Ein "Loch" etwa in der Oberfläche eines Silizium-Wafers - also zum Beispiel ein fehlendes Atom - bedeutet an der betreffenden Stelle einen größeren Abstand Spitze - Substrat, was in einem verringerten Tunnelstrom resultiert. Atome, die hingegen aus der Silizium-Oberfläche hervorstehen, bewirken einen stärkeren Tunnelstrom. Über den beim "Abrastern" der Probe gemessenen Tunnelstrom und die notwendige Nachregulierung des Abstandes können die Physiker die Beschaffenheit der Substrat-Oberfläche exakt abbilden.