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
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Cologne
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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
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K. Meerholz / P. Körner
Chemistry
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Cologne
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Tunneleffekt
Schrödingergleichung:
Lösung für I und III:
mit
Lösung für II
mit
5
K. Meerholz / P. Körner
Tunneleffekt
Chemistry
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Cologne
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• 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!!!
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K. Meerholz / P. Körner
Chemistry
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Cologne
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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)
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K. Meerholz / P. Körner
Tunnelstromdichte
Chemistry
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• Herleitung eines Ausdrucks für jT kompliziert
• jT hängt ab von





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Barrierenhöhe f
Abstand Spitze Probe d
Effektiver Masse der Elektronen me
Tunnelspannung UT
Lokaler Zustandsdichte LDOS
K. Meerholz / P. Körner
Chemistry
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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
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K. Meerholz / P. Körner
Chemistry
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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
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K. Meerholz / P. Körner
Experimentelles - Messspitzen
Chemistry
Department
Cologne
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• 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)
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K. Meerholz / P. Körner
Experimentelles - Positionierung
Chemistry
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• STM erfordert extrem genaue Kontrolle der Spitzenposition
(Verschiebungen im Pikometerbereich)
• Erreichbar durch Piezoelemente
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K. Meerholz / P. Körner
Chemistry
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Cologne
University
STM an HOPG
•
•
•
•
•
•
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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
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K. Meerholz / P. Körner
Chemistry
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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
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K. Meerholz / P. Körner
Chemistry
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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
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K. Meerholz / P. Körner
Chemistry
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STM Highlights
Hexaazatriphenylene auf Au(111)
Antoine Kahn, Princeton University
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K. Meerholz / P. Körner
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STM Highlights
Ag (110)
Si-Nanodrähte adsorbiert auf Ag (110)
Antoine Kahn, Princeton University
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K. Meerholz / P. Körner
Chemistry
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STM Highlights
Si (111)
VT = +1.00 V
VT = -1.00 V
Antoine Kahn, Princeton University
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K. Meerholz / P. Körner
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STM an HOPG
Digital bearbeitete HOPG Bilder
Rauschen unterdrückt durch 2D-FastFourierTransformation
„Gutes“ Bild
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„Schlechtes“ Bild
K. Meerholz / P. Körner
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