RASTERTUNNEL-MIKROSKOPIE

Von Andreas EnnsProseminar SS 2010

Inhalt

1. Allgemeines zum STM

2. Was sind die Vorzüge des STM?

3. Die Theorie - Welche Physik steckt dahinter?1. Der Tunneleffekt

2. Piezoelektrischer Effekt

4. Aufbau und Funktionsweise eines STM1. Der Tunnelstrom

2. Die Spitze

3. Die Vorspannung

4. Operationsmodi / Wie werden Aufnahmen erstellt?

5. Beispiele

6. Literatur

1.Allgemeines zum STM

Das Raster-Tunnel-Mikroskop (RTM) ist ein Mikroskop zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen (Leiter und Halbleiter)

Englisch: STM für Scanning Tunneling Microscope

Prinzip: Scannen einer Oberfläche mittels Tunnelstrom

IT

1. Allgemeines zum STM

Erfindung im Jahr 1981 von Gerd Binnig (geb. 1947) und Heinrich Rohrer (geb. 1933) am IBM-Forschungszentrum in Zürich (Nobelpreis 1986)

Bis dahin unerreichte Auflösung atomarer Strukturen auf Oberflächen

Heute weit verbreitet in Physik, Biologie und Chemie

Binnig

Rohrer

2. Was sind die Vorzüge des STM?

Auflösung: lateral bis zu 0,1 nm und vertikal 0,01 nm

Abbilden von individuellen Atomen möglich

zum Vergleich: FIM (Field Ion Microscp.) und REM (Reflection ElectronMicroscp.) erreichen vertikal „nur“ ca. 1 nm

Aufnahmen in verschiedenen Umgebungen möglich: in Vakuum, Luft, Wasser, bei hoher und niedriger Temperatur

Oft keine Präparation der Probe notwendig

Probe bleibt meistens unbeschädigt Biologische und chemische In-Situ Studien möglich

3D-Echzeit Aufnahmen

Oberflächen- und Atommanipulation

3.Die TheorieWelche physikalischen Effekte

werden genutzt?

Tunneleffekt

Piezoelektrischer Effekt

3.1 Der Tunnel-Effekt

Tunneln durch eine Barriere in klassischer Physik unmöglich

Quantenmechanik: Ψ > 0

gewisse Wahrscheinlichkeit, dass Teilchen tunnelt

Wobei Ψ ~ exp{-2Кd} und К= √(const*[ɸ-E])

3.2 Piezoelektrischer Effekt

Nur in nichtleitenden Materialien möglich

Für STM meistens Piezokristalle

Für STM inverser Piezoeffekt notwendig: Anlegen von Spannung bewirkt Dehnung des Materials

4. Aufbau und Funktionsweise eines STM

4. Aufbau und Funktionsweise eines STM

4.1 Der Tunnelstrom

ITunnel ~ U*exp{-2Кd}

Typisches Potential (Vakuum) 4-5 eV

jede Abstandsänderung von 1

Angström bewirkt Stromänderung um ca. eine Ordnung.

Diese exponentielle Anhängigkeit ist

die Ursache für die hohe Auflösung

des STM, denn schon atomare

Abstandsänderungen bewirken eine

gut messbare Änderung des Stroms.

4.2 Die Spitze

Man nimmt an, dass bei beliebiger Spitze ein Atom das Vorderste bildet:

Das vorderste Atom ist für den größten Teil des Tunnelstroms verantwortlich

4.3 Die Vorspannung (Bias)

Vorspannung erhöht die Fermi-Energie der Probe relativ zur Messpitze

Rechts entstehen unbesetzte Zustände, sodass Elektronen tunneln können

4.4 OperationsmodiWie werden Aufnahmen erstellt?

Hauptsächlich 2 Messmodi:

1. Constant Height Mode (CHM)

2. Constant Current Mode (CCM)

4.4 Constant Height Mode (CHM)

Spitze bewegt sich nur in x-y-Richtung bzw. in der x-y-Ebene

Z = const. (Spitze wird konstant auf einer Höhe gehalten)

Strom als Fkt. von der x-y Position

Vorteil: Sehr hohe Scanfrequenz (bis zu 10kHz, d.h. 10000 Bilder pro sec)

Nachteil: Nur für relativ flache Oberflächen möglich

4.4 Constant Current Mode (CCM)

Abstand der Spitze zur Probe wird durch einen Regelkreis konstant gehalten

Höhe Z als Fkt. von x-y Position (ähnlich einer topographischen Aufnahme)

Vorteil: Topographische Aufnahme

Nachteil: langsame Scangeschw. ( von 1 Hz und abwärts)

4.4 Datenauswertung

Im CCM wird jede Z-Korrektur als als x-y Position gespeichert

Raster als Graustufenebene darstellbar oder als topographisches Muster

Statt Graustufen auch farbige Palette möglich

5. Beispiele

Links: Si(111) Oberfläche (ca. 1 μm^2)

Rechts: Vergrößerte Darstellung des Si(111)

Weiße Punkte in Dreiecksform angeordnet stellen einzelne Si-Atome dar

Seitenlänge der Dreiecke ca. 2,7 nm

5. Beispiele

Aufnahme einer Graphitoberfläche (hexagonale Gitterstruktur)

5. Quantum Corrals

1993 von Don Eigler entdeckt

Eisenatome werden kreisförmig auf einer Kupferoberfläche angeordnet

eingeschlossene Elektronen auf Kupferoberfläche bilden stehende Wellen aus. Bestätigung der Wellennatur von Materie

5. Aufnahmen mit dem STM

Literatur

Chunli Bai, „Scanning Tunneling Microscopy and its Application“, Springer Verlag 1995

Tipler/Mosca, „Physik“, 2. Aufl., Spektrum Verlag

Dawn A. Bonnell, „Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy“, VCH 1993

Internet:

http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope

http://www.jaist.ac.jp/ms/english/research_list/equipments/STM.html

http://www.mrsec.wisc.edu/Edetc/background/STM/

http://hoffman.physics.harvard.edu/research/STMintro.php

http://scholar.lib.vt.edu/ejournals/SPT/v8n2/hennig.html

Danke fürs Zuhören!