Raster-Tunnel

Von Andreas Enns
Proseminar SS 2010
RASTERTUNNELMIKROSKOPIE
Inhalt
Allgemeines zum STM
Was sind die Vorzüge des STM?
Die Theorie - Welche Physik steckt dahinter?
1.
2.
3.
1.
2.
Aufbau und Funktionsweise eines STM
4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Der Tunneleffekt
Piezoelektrischer Effekt
Der Tunnelstrom
Die Spitze
Die Vorspannung
Operationsmodi / Wie werden Aufnahmen erstellt?
Beispiele
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
I
T
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
Binnig
 Heute weit verbreitet in Physik, Biologie und
Chemie
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 Electron
Microscp.) 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 Theorie
Welche 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 Operationsmodi
Wie 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!