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1Das Rastertunnelmikroskop

engl.: scanning tunneling microscope (kurz: STM)

Gerd BinnigHeinrich Rohrer

Nobelpreis für Physik 1986

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2Grundlagen STM

Das 1981 entwickelte Rastertunnelmikroskop (kurz: RTM) stellt einen gewaltigenFortschritt im Bereich der Mikroskopie dar, da es ein extrem hohes Auflösungsvermögenmit der Möglichkeit verbindet, Oberflächenstrukturen zerstörungsfrei abzutasten. ImUnterschied zu konventionellen Mikroskopiertechniken wird hierbei nicht eine Strahlunganalysiert, die von der Probe reflektiert oder gestreut wird bzw. diese durchdringt,sondern vielmehr wird die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts mit einer Sondeberührungslos abgetastet. Durch dieses Vorgehen ist das räumliche Auflösungs-vermögen des Mikroskops nicht mehr durch die Wellenlänge der verwendeten Strahlungbegrenzt, sondern es lassen sich extrem kleine Strukturen bis hin zu einzelnen Atomensichtbar machen.

Das Rastertunnelmikroskop hat ein Fenster zur Welt des Mikrokosmos geöffnet undviele neue Erkenntnisse und Anwendungen in der Metallurgie, Elektrochemie undMolekularbiologie erst ermöglicht. Für die Entwicklung dieses sensiblen Instrumentserhielten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1986 den Nobelpreis.

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3Theorie des STM

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4Theorie STM mit Spannung

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5Funktionsprinzip STM

Beim Rastertunnelmikroskop wird eine sehrfeine Metallspitze extrem dicht an dieProbenoberfläche herangeführt* . Obwohl sichbeide Körper nicht berühren, könnenElektronen aufgrund des quanten-mechanischen Tunneleffekts den Abstandzwischen Probe und Metallspitze„überspringen“. Wird zwischen beidenKörpern eine Spannung UT angelegt, erhältdiese Elektronenbewegung eineVorzugsrichtung - ein Tunnelstrom IT beginntzu fließen. Die Größe dieses Stromes hängtsowohl vom Abstand zwischen Metallspitzeund Probe als auch von der Elektronendichtean der untersuchten Stelle ab.

* Die Spitze der Sonde besteht im Idealfall aus einem einzelnen Atom. Dies lässt sich durch spezielleSchneide- oder Ätztechniken erreichen. Der Abstand zwischen Probe und Sonde beträgt nur einigeNanometer, d.h. die Sonde gleitet im Abstand weniger Atomdurchmesser über die Probe.

Quelle der Abbildung: http://www.educeth.ch/physik /leitprog/atome/docs/kapitel1.pdf

Auflösung: 1Å in lateraler, 0.01Å in axialer RichtungSTM kann in UHV und Luft durchgeführt werden

Spitze ist meistens ein chemisch geätzter oder mechanisch geschl iffener Draht aus W, Pt, Ir

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6Voraussetzung

Voraussetzung für das Zustandekommen des Tunnelstroms ist, dass die Probenoberfläche elektrischleitfähig ist. Gegebenenfalls muss sie zuerst mit Gold bedampft werden, um eine hinreichendeLeitfähigkeit sicherzustellen. Aber auch, wenn die Probe selbst ein elektrischer Leiter ist, ist eine dünneGoldbeschichtung oft sinnvoll, da viele Stoffe durch chemische Prozesse (z.B. Oxidation) zerstört werdenkönnen und sich ihre Oberflächenstruktur dementsprechend signifikant verändert. Gold hat eine vielgleichmäßigere Elektronenverteilung als z.B. Graphit, d.h. die Elektronendichte an der Oberfläche istnäherungsweise konstant. Daher lassen sich zwar einerseits einzelne Goldatome viel schwerer sichtbarmachen als beim Graphit, andererseits lassen sich größere Strukturen leichter erkennen, da beikonstanter Elektronendichte die Größe des Tunnelstroms nur noch vom Abstand zwischen Abtastspitzeund Probe abhängt. Während die von einem Rastertunnelmikroskop gelieferten Bilder von Graphit-oberflächen also leicht missinterpretiert werden können, da hier sowohl Abstand als auch Elektronen-dichte variable Größen sind, ist die Deutung der Aufnahme einer Goldoberfläche viel einfacher: Die hellenund dunklen Bereiche zeigen hier, wie von den meisten Betrachtern intuitiv erwartet, Erhöhungen bzw.Vertiefungen in der Goldoberfläche an. Das gesamte Bild der Oberfläche entsteht beim Rastertunnel-mikroskop nicht wie z.B. beim Lichtmikroskop „auf einmal“, sondern durch schrittweises „Abrastern“ derProbe. Hierzu ist eine sehr sensible Steuerung erforderlich, da die Sondenspitze hinreichend langsam undgenau über die Probe gezogen werden muss.

Eine solch genaue Steuerung ist nur durch spezielle Bauteile möglich. Man verwendet hierzuPiezoelemente. Der piezoelektrische Effekt wurde 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curieentdeckt. Werden bestimmte Kristalle, z. B. Quarz oder Turmalin, durch mechanische Kräfte geringfügigverformt, so entsteht eine elektrische Spannung, was gegebenenfalls einen kurzzeitigen Stromfluss zurFolge hat. Anwendung findet dies beispielsweise in elektronischen Feuerzeugen oder Gasanzündern.Dieser Effekt lässt sich aber auch umkehren: Wird an einen Piezokristall eine Spannung angelegt, soverformt sich dieser ein wenig. Die Größe der Verformung ist annähernd proportional zur angelegtenSpannung. Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, winzige Verschiebungen um Bruchteile einesTausendstel Millimeters zu bewirken bzw. diese exakt zu messen.

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7Piezoelektrische Scanner

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8Aufbau

Zur Steuerung der Messsonde gibt es für jedeRaumkoordinate ein Piezosystem:

1. In x-Richtung oszilliert die angelegteSpannung, d.h. der entsprechendePiezokristall dehnt sich abwechselnd ausbzw. zieht sich zusammen und bewegt damitdie Sonde hin und her.

2. In y-Richtung wird die Spannung stetigvergrößert, der Kristall dehnt sich aus undbewegt die Sonde in y-Richtung langsamüber die Probe.

3. In z-Richtung erfolgt die Messung des Tunnel-stroms. Wenn die Probenoberfläche exakteben ist, bleibt sein Wert konstant, beiUnebenheiten hingegen ändert sich derTunnelstrom deutlich. Dies wird vom Regel-kreis registriert und die Spannung UT wirdentsprechend nachgeregelt, so dass derTunnelstrom wieder auf seinen alten Wertzurückgeführt wird. Die Höhe dieser „Nach-regelung“ ist ein Maß für die Beschaffenheitder Probenoberfläche. Auf diese Weisekönnen sehr kleine Strukturen, z.B. die Bitseiner CD, sichtbar gemacht werden.

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9Erstes STM image von Si 7 x 7

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10STM - Si Oberflächen Rekonstruktion

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11STM image einer MQW-Struktur (cross-section STM)

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12STM image einer Laser-Struktur

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13Atombewegung

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14STM image eines Quantum Corrals

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15STM – CO-Moleküle

Das Millenium lässt grüßen: Einzelne Kohlenmonoxid-Moleküle,die mit Hilfe eines STM auf einem Metallsubstrat arrangiert wurden.Die "Zebrastreifen" sind einzelne Atomreihen.(Quelle: Institut für Experimentalphysik der FU Berlin)

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16AFM: Kraft statt Strom

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17Interatomare und intermolekulare Kräfte

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18AFM - Aufbau

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19Was brauchen wir für ein AFM?

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20AFM – contact and non-contact Mode

Kontakt AFM Non-Kontakt AFM

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21Contact Mode

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22Constant hight and constant deflection Mode

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23Laterale Scanning-kräfte

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24Constant Deflection Mode - „konstante Kraft“

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25Bilderzeugung

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26Höhen- und Ableitungsbild

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27Artefakte und atomare Auflösung

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28Force Modulation Imaging

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29AFM Non-contact Mode

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30Non-contact modes

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31Tapping Mode AFM

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32Tapping mode

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33Phase Imaging

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34Magnetic Force Imaging

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35Contact and non-contact Modi

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36Vor- und Nachteile der Modii

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37Faktoren die die Auflösung begrenzen

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38Weitere Messmodi

Durch die Vielfalt der zwischen Probe und Spitze auftretenden Wechselwirkungen, die z.B.elektrostatischer, magnetischer, tribologischer Natur sein können, wurden einige weitere Messmodientwickelt. Auch das Anlegen einer Spannung zwischen Probe und Spitze, ähnlich dem STM-Mode,bietet die Möglichkeit, weitere Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Kapazität oder Oberflächenpotenziale derProbe zu messen.

Einige dieser Mikroskopiemethoden werden im folgenden kurz erläutert:Tapping Mode (TM)Force Modulation Microscopy (FMM)Pulsed Force Microscopy (PFM)Phase ImagingLateral Force Microscopy (LFM)Electrostatic Force Microscopy (EFM)Magnetic Force Microscopy (MFM)Scanning Spreading Resistance Microscopy (SSRM)Scanning Capacitance Microscopy (SCM)Surface Potential MicroscopyForce-Distance Measurements

Desweiteren können mit dem AFM auch Strukturierungen von Oberflächen vorgenommen werden:Nanoindenting and ScratchingField induced NanooxidationField induced Intercalations and Deintercalations

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39Begleitende Literatur

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40Ballistic Electron Emission Microscopy (BEEM)

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41Schottkydioden

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42Methoden

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43Prinzip

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44Prinzip

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45Typische BEEM-Kennlinie

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46Experimentelle Ergebnisse

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47Schwellwertsbestimmung

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48Laterale Auflösung

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49Fazit & Ausblick