Einleitung und Historisches Funktionsweise Sondenpräparation

Raster-Tunnel-Mikroskopie
scanning-tunneling-microscope
Ronneburg, Arne
Adam, Tim
Einleitung und Historisches
Die Raster-Tunnel-Mikroskopie (RTM / STM) ist ein technisches Verfahren zur atomaren Strukturauflösung einer leitfähigen Probe
unter Ausnutzung des quantenmechanischen Tunneleffekts.
Gerd Binning und Heinrich Rohrer (siehe Abbildung 1) entwickelten 1981 dieses neuartige Mikroskope und wurden bereits 1986 mit
dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Das Auflösungsvermögen liegt im Bereich von Pikometern und kann daher Atome bzw. dessen Atomorbitale abbilden. Zum
Vergleich: Optische Mikroskope erreichen Auflösungen bis hin zu einigen hundert Nanometern, Elektronenmikroskope bereits
Zehntel Nanometer
Abbildung 1: Gerd Binning (rechts) und Heinrich Rohrer (links) vor
ihrem ersten RTM
Abbildung 2: Animation zur Erläuterung des
Tunneleffekts und seine Anwendung beim RTM
Funktionsweise
Probenpräparation
Messmethode
- zwischen Sonde und Probe eine Spannung angelegt:
Tunnelspannung
- Steuerung der Sonde über die Probenoberfläche erfolgt über
ein Piezoelement im Bereich von Pikometern
- bei genügend kleinem Abstand Entstehung eines
Tunnelstroms im Bereich von Piko- bzw. Nanoampere
- durch Abrastern der Oberfläche und gleichzeitiger Messung
des Tunnelstroms wird eine Topologie erstellt
- die Probenoberfläche wird durch abziehen von Monolagen
mit Hilfe eines Klebestreifens geglättet
- möglich aufgrund schwacher Bindung der Monolagen
zueinander
- Befestigen der Probe am Probenkörper und Positionierung
dessen im RTM (siehe Abbildung 5)
1. Konstante Höhe (realisiert über konstante Spannung am
Piezokristall an der z-Komponente)
Vorteil: sehr schneller Scanvorgang
Nachteil: bei Unebenheiten an der Probenoberfläche
kommt es leicht zu Kollisionen
2. Konstanter Tunnelstrom (z-Komponente vom Piezoelement
wird abhängig von der Probenoberfläche nachgeführt)
Sondenpräparation
Vorteil: höhere Auflösungen möglich, geringere
Wahrscheinlichkeit für Kollisionen zwischen Sonde und
Probe, somit insbesondere für unebene Proben geeignet
- aus einem metallischen Leiter
- spitzes Abschneiden des Drahtes unter Zug
- so besteht die Sondenspitze im Idealfall aus nur einem
exponierten Atom
Nachteil: Messungen dauern deutlich länger, störanfälliger
im Bezug auf Vibrationen des Untergrunds
Abbildung 3: Verlauf der Wellenfunktion beim Tunneleffekt zwischen
Probe und Spitze
Abbildung 4: Schematischer Aufbau des Mikroskops
Abbildung 5: Heranführen des Probenkörpers an die Sonde: zuerst manuell bis zu einer Distanz von wenigen
Millimetern, danach mit Hilfe einer Sägezahnspannung und Vorrichtung am Probenkörper
Abbildung 6: Methoden zum Abtasten der Probe
Bestimmung der Gitterkonstante von HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite)
HOPG im Detail
-
- besteht aus Kohlenstoffatomen
- bildet hexagonale Kristallstruktur mit mehreren Ebenen
- Anisotropie im Bezug auf mechanische, elektrische und
thermische Eigenschaften
- starke kovalente Bindungen zwischen den
Kohlenstoffatomen innerhalb der Ebene
- schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen den
Ebenen
- dadurch Abtrennen von Monolagen leicht möglich
zunächst Vermessung eines bekannten Goldgitter, Vergleich mit Herstellerangabe führt zu eventuellem Korrekturfaktor
Korrekturfaktor notwendig da Einfluss des Piezoelements nicht bekannt
schließlich Graphen-Probe präparieren (siehe oben)
Messung zeigt hexagonale Struktur
Die Gitterkonstante wurde auf 0,206nm bestimmt
Abbildung 7: Topografische Aufnahme des
Graphengitters, in dreidimensionaler Darstellung, mit Bruchkante
Abbildung 8: Topografische Aufnahme des
Graphengitters, in dreidimensionaler Darstellung,
bei kleinerer Rasterfläche, Atomorbitale als Erhebungen zu erkennen
Abbildung 9: Topografische Aufnahme des Goldgitters, in zweidimensionaler Darstellung (links),
Seitenprofil entlang einer Achse des Gitters (rechts)
Abbildung 11: Graphit in der hexagonalen Kristallstruktur in
der Seitensicht (oben) und in der Draufsicht (unten)
Abbildung 10: Topografische Aufnahme des Graphengitters, in zweidimensionaler Darstellung (links), Seitenprofil entlang mehrerer Achsen a), b) & c) und daraus errechneten Gitterkonstanten (rechts)
Fazit
Einige Dinge konnte man bei diesem Versuch lernen. So kann nicht jede Oberfläche mit einem RTM untersucht werden, lediglich elektrisch leitende Oberflächen sind hier geeignet. Für nichtleitende
Materialien gibt es jedoch die Rasterkraftmikroskopie oder die Oberfläche muss vorbehandelt (metallisch bedampfen) werden. Es ist jedoch erstaunlich, dass bereits mit einem solch „kleinen“ Gerät
atomare Strukturen aufgelöst werden können. Leider ist diese Technik sehr störanfällig, insbesondere im Bezug auf mechanische Schwingungen sowie Schall. Dies erforderte einige Umsicht während
des Versuchs.
Quellen
[1] http://scr3.golem.de/screenshots/1106/IBM-100/5729877195_5f388f28e4_o_d.jpg
[2] http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quantum_tunnel_effect_and_its_application_to_the_scanning_tunneling_microscope.ogv?embedplayer=yes
[3] http://www.semibyte.de/wp/graphicslibrary/gl-physics/tunneleffekt/
[4] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d0/Rastertunnelmikroskop-schema.svg/561px-Rastertunnelmikroskop-schema.svg.png
[5] http://www.virlab.virginia.edu/VL/easyScan_STM.htm
[6] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fe/Constant_height.svg/500px-Constant_height.svg.png und http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d1/Constant_current.svg/500px-Constant_ current.svg.png
[11] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/54/GraphitGitter4.png