STM an HOPG
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Chemistry Department Cologne University Rastermethoden Rastertunnelmikroskopie Klaus Meerholz / Peter Körner WiSe 2012/2013 Rastersondenmikroskope Chemistry Department Cologne University • Rastertunnelmikroskop (Scanning Tunneling Microscope, STM) kann metallische und halbleitende Oberflächen mit atomarer Auflösung abbilden und untersuchen • 1981 erfunden von K. Binnig und H. Rohrer bei IBM; Nobelpreis für Physik 1986 • Historisch erstes der Rastersondenmikroskope (STM, AFM, MFM, SNOM, SNAM) Messspitze Wechselwirkung Probe 2 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University Rastertunnelmikroskop • Wechselwirkung: Tunneleffekt • Messgröße: Tunnelstrom • Oberflächen- und Schichtwachstumsuntersuchung auf atomarer Skala • Oberflächenmanipulation („Atome verschieben“) • Ortsaufgelöste Spektroskopie (STS) Si (7x7) 3 Pt (111) + 90 Lagen Xe on Ni K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University Tunneleffekt • Klassisch: Teilchen mit Energie E kann eine Potentialbarriere der Höhe V0 > E nicht überwinden • Quantenmechanik: Durchtunneln der Barriere ist möglich • Gleichwertige Erklärungen durch Energie-Zeit-Unschärfebeziehung DEDt ≥ ħ/2; oder durch die Schrödingergleichung • Schrödingergleichung besser geeignet für STM 4 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University Tunneleffekt Schrödingergleichung: Lösung für I und III: mit Lösung für II mit 5 K. Meerholz / P. Körner Tunneleffekt Chemistry Department Cologne University • Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Teilchens ist proportional zum Quadrat der Wellenfunktion • Diese ist weder in der Barriere noch unmittelbar dahinter vollständig gleich Null • Das Teilchen kann die Barriere durchtunneln. • Die Tunnelwahrscheinlichkeit hängt von der Höhe der Potentialbarriere und exponentiell von ihrer Breite ab!!! 6 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University Tunnelstrom Kein Kontakt (Tunnel-)Kontakt Mit Tunnelspannung • Das Anlegen einer Spannung ist notwendig für einen konstanten Tunnelstrom • VT liegt in der Regel im Bereich von Millivolt (genügt nicht um klassisch die Austrittsarbeit zu überwinden) 7 K. Meerholz / P. Körner Tunnelstromdichte Chemistry Department Cologne University • Herleitung eines Ausdrucks für jT kompliziert • jT hängt ab von 8 Barrierenhöhe f Abstand Spitze Probe d Effektiver Masse der Elektronen me Tunnelspannung UT Lokaler Zustandsdichte LDOS K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University Zusammenfassung STM-Prinzip • Tunnelstrom ist extrem abstandsabhängig • Hierdurch erreicht das STM seine enorme Auflösung • Abbildung durch das STM ist ein Konturbild der lokalen Zustandsdichte der Probe 9 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University Experimentelles - UHV und Kühlung • Extrem saubere und glatte Probenoberflächen => Ultra-Hochvakuum • Nicht notwendig bei chemisch inerten Proben wie Graphit oder Gold • Verringerung thermischer Effekte => Probenkühlung • Nicht notwendig bei Graphit • Aber für atomare Auflösung bei Metallen • Schwingungsdämpfung 10 K. Meerholz / P. Körner Experimentelles - Messspitzen Chemistry Department Cologne University • Die Qualität der Messspitze beeiflusst die Messung extrem und limitiert die erreichbare Auflösung • Herstellung durch Abreißen eines Drahtes (Pt-Ir, Au…) oder durch elektrochemische Ätzverfahren (W) 11 K. Meerholz / P. Körner Experimentelles - Positionierung Chemistry Department Cologne University • STM erfordert extrem genaue Kontrolle der Spitzenposition (Verschiebungen im Pikometerbereich) • Erreichbar durch Piezoelemente 12 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University STM an HOPG • • • • • • 13 Hochorientiertes pyrolitsches Graphit Stabil an Luft Einfach zu preparieren (schwache WW zwischen den Schichten) Glatt genug für CHM Ideal für „einfache“ STMs Halbmetall K. Meerholz / P. Körner STM an HOPG Chemistry Department Cologne University • Nicht alle 6 Atome einer Wabe erkennbar • STM liefert Bild der Elektronendichte! • Elektronendichte wird durch Atome der nächsten Schicht beeinflusst • Daher Erscheinen Atome unterschiedlich „hell“ im Kontrastbild 14 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University STM an HOPG Einfluss der zweiten Schicht auf das STM-Bild Normales HOPG Obere Schicht abgelöst Entspricht Graphen Colm Durkam, University of Cambridge 15 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University STM an Gold Gold (111)-Oberfläche Antoine Kahn, Princeton University Colm Durkam, University of Cambridge Mit hohem experimentellem Aufwand ist STM an Metallen auch mit atomarer Auflösung möglich 16 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University STM Highlights Hexaazatriphenylene auf Au(111) Antoine Kahn, Princeton University 17 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University STM Highlights Ag (110) Si-Nanodrähte adsorbiert auf Ag (110) Antoine Kahn, Princeton University 18 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University STM Highlights Si (111) VT = +1.00 V VT = -1.00 V Antoine Kahn, Princeton University 19 K. Meerholz / P. Körner Chemistry Department Cologne University STM an HOPG Digital bearbeitete HOPG Bilder Rauschen unterdrückt durch 2D-FastFourierTransformation „Gutes“ Bild 20 „Schlechtes“ Bild K. Meerholz / P. Körner
