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Tunneleffekt  Raster-Tunnelmikroskop
Tunneleffekt: Basiswissen 7, Seite 21 nur 1. Abschnitt
Eine sehr dünne Metallnadelspitze (Draht wird auf
1 µm angespitzt, weist jedoch viele kleine sptzen
auf, deren Enden nur aus wenigen Atomen
bestehen) wird im Ultrahochvakuum bis auf 10-10 m
an die Oberfläche eines metallischen Körpers
geführt. Zwischen Spitze und Oberfläche liegt eine
elektrische Spannung von mV - wenigen Volt. Nach
der klassischen Physik könnten e’ nicht aus der
Spitze austreten (Austrittsarbeit: 5 eV). Durch den
quantenmechanischen Tunneleffekt fließt aber
Strom (Tunnelstrom), der stark von dem Abstand
Nadel – Oberfläche d abhängt. Bereits Abstände
von 0,01 nm reichen, um den Tunnelstrom messbar
zu beeinflussen. Man führt die Nadel so über die
Oberfläche, dass der Tunnelstrom und damit der
Abstand konstant bleibt.
Das erreicht man mit Piezokristallen (dehnen sich, wenn an ihnen Spannung liegt) und einem Rückkopplungsmechanismus: fließt weniger Strom, bedeutet das, dass die Spitze zu weit weg von der
Oberfläche ist, man legt an Piezokristalle mehr Spannung und umgekehrt. Die Spitze fährt rasterförmig über die Oberfläche.
Da das Prinzip der Rastertunnelmikroskopie auf der Messung eines Stromflusses zwischen der Probe
und der Spitze des Rastertunnelmikroskops beruht, können nur elektrisch leitende Proben (Metalle,
Halbleiter oder Supraleiter) direkt untersucht werden. Nicht leitende Proben müssen daher mit einer
feinen elektrisch leitenden Schicht bedampft werden (Graphit, Chrom oder Gold)
Die Rastertunnelmikroskopie ist ein indirektes Abbildungsverfahren, es wird die elektronische
Struktur der Oberfläche abgetastet.
Oberflächenstruktur wird bis auf 0,1 nm genau bestimmt  im atomaren Bereich, aber
eigentlich keine Abbildung, man berechnet aus der Stromstärke Oberflächenstruktur
(auch einzelne Moleküle).
Vergrößerung: 108
Mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops können nicht nur
beeindruckende Bilder in atomarer Auflösung entstehen, sondern
unter geeigneten Bedingungen lassen sich durch die zwischen
Sondenspitze und Probenmaterial wirkenden elektrischen Kräfte
sogar einzelne Atome gezielt verschieben. Je nach Vorgehensweise
können die Atome von der Sondenspitze
geschoben, gezogen oder sogar getragen werden. Auch ein
Verbiegen eines einzelnen Moleküls oder gar ein Verschweißen
mehrerer Moleküle ist möglich.
Hochheben eines einzelnen
Kohlenstoffmonoxidmoleküls
Diese Effekte sind sehr empfindlich gegenüber äußeren Störungen; schon die normale Wärmebewegung würde alle Bemühungen zunichte machen. Solche Experimente erfolgen daher im
Hochvakuum bei extrem tiefen Temperaturen14 nahe des absoluten Nullpunkts bei + 10 K, bei
dem alle thermischen Bewegungen der Atome soweit möglich eingefroren. sind.
Bau eines mikroskopischen „Quantenlabors“ aus einzelnen Atomen
Stehende Elektronenwellen in verschiedenen
mikroskopischen Bereichen
Einzelne Eisenatome werden hier auf einer Kupferoberfläche zu einem Kreis zusammengesetzt.
Deutlich erkennbar bilden sich im Innenbereich stehende Wellen aus, wie man sie aus der Makrowelt
bereits kennt (z.B. von Schall- oder Wasserwellen). Die Minima und Maxima im Innenbereich des
Rings zeigen Orte minimaler bzw. maximaler Elektronendichte, stellen also eine anschauliche
Darstellung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Oberflächenelektronen dar.
Ein aus 48 Eisenatomen auf einer Kupferoberfläche
bestehenden Ring, welcher als 12,4 nm durchmessendes
„Quantenriff“ für Elektronen wirkt. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen nimmt hierdurch
die Form einer stehenden Welle an, was im Inneren des
„Quantenriffs“ deutlich erkennbar ist.
Quelle: almaden IBM.com