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Rastertunnelmikroskopie

Es war schon immer ein uralter Traum der Wissenschaftler, Oberflächen mit höchster räumlicher Auflösung sehen zu können - vielleicht sogar einzelne Atome im realen Raum sichtbar zu machen. Der Bau immer leistungsstärkerer Mikroskope ( z. B. die Entwicklung vom Licht- zum Elektronenmikroskop ) führte zu einer erheblichen Steigerung des Auflösungsvermögens. Allein - der Blick auf die Atome blieb den Forschern verwehrt. Erst die geniale Idee zweier Wissenschaftler im IBM-Forschungslabor bei Zürich, Gerd Binnig und Heinrich Rohrer (Nobelpreis 1986), für die Abbildung von Oberflächen den so genannten Tunneleffekt auszunützen, brachte den Durchbruch: Oberflächenatome konnten erstmals beobachtet werden. 

Das Rastertunnelmikroskop oder Rastertunnelelektronenmikroskop (abgekürzt RTM, oder STM von englisch: scanning tunnelling microscope) ist ein Mikroskop, welches ein Objekt durch "Abtasten" abbildet. 
Was ist das Besondere am STM? Der optischen Mikroskopie sind systematische Grenzen gesetzt, so dass für eine Abbildung von Atomen im Ortsraum andere Techniken wie etwa das STM vonnöten sind: Ein STM ist zunächst einmal eine spezielle Art elektronisches (und nicht etwa optisches) Mikroskop, das Funktionsprinzip ist folgender Abbildung zu sehen:

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Funktionsprinzip des Rastertunnelmikroskops


Eine sehr feine elektrisch leitende Spitze, die im Idealfall nur ein Atom dick ist, wird in extremer Nähe über die zu untersuchende Oberfläche gebracht. Der Abstand zwischen dem Objekt und der Spitze wird nun so gering gehalten, dass ein extrem schwacher elektrischer Kontakt entsteht und die Elektronen zwischen der Spitze und der Nadel ausgetauscht werden (quantenmechanischer Tunneleffekt): Obwohl ihnen die eigentlich benötigte Energie fehlt, können Elektronen die Oberfläche verlassen und in die Spitze "tunneln" (oder in die andere Richtung). Wird nun eine elektrische Spannung zwischen der Oberfläche und der Spitze angelegt, so kann ein Strom, der so genannte Tunnelstrom fließen. Dies geschieht üblicherweise bei einer Entfernung von unter 1nm, d.h. wenige Atomdurchmesser. Die Spitze wird nun über die Probe gezogen, wobei der Abstand zwischen Probe und Spitze konstant gehalten wird (sog. constant height tunneling) . Je nachdem ob viele Elektronen tunneln können (die Spitze gerade nah an der Oberfläche dran ist) oder wenige (Spitze weiter weg von der letzten Atomlage) fließt ein großer oder weniger großer Strom. Dieser Strom kann gemessen werden und als Funktion der Spitzenposition grafisch dargestellt werden. Man erhält so ein topografisches Bild der Oberfläche. Wichtig hierbei: Man erhält nicht automatisch ein Bild der Atome, sondern nur der elektronischen Struktur. Man kennt also nach einer solchen Messung die lokale Dichteverteilung der Elektronen auf der Oberfläche, was oft (aber nicht immer) der räumlichen Anordnung der Atome entspricht. Das Auflösungsvermögen dieser Methode ist dabei tatsächlich so hoch, dass bis in die Größenordnung der Atome (Bruchteile von Nanometern) aufgelöst werden kann. Insofern kann das STM ein elektronisches Abbild der Oberfläche machen und unter gewissen Voraussetzungen Atome sehen!

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Ein UHV-Rastertunnelmikroskop der AG Oberfllächen


Wie in der folgenden Abbildung gezeigt wird, lassen sich auch die Bewegung einzelner Atome verfolgen, die z.B. während der Aufnahme der Oberfläche auf Nachbarplätze des Substratgitters hüpfen.

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Rastertunnelmikroskopaufnahme einer Ruthenium Oberfläche, auf der Sauerstoff adsorbiert wurde. Die horizontalen Streifen zeigen Sauerstoffatome, die während des zeilenweisen Abtastens der Oberfläche ihre Position verändern.


Die neuesten Entwicklungen in der Rastertunnelmikroskopie zielen auf  atomare Manipulation: Mit der Spitze können einzelne Atome oder Moleküle (durch Anlegen einer geeigneten Spannung) aufgenommen, transportiert und (durch erneutes Anlegen einer hohen Spannung) abgesetzt werden. Das folgende Bild zeigt eine Silizium Si(001) Oberfläche, die zunächst mit Wasserstoff belegt wurde. An jedem Siliziumatom an der Oberfläche ist dadurch ein Wasserstoffatom gebunden. An den hellen Stellen wurden die Wasserstoffatome durch Anlegen eines Spannungsimpulses an die Spitze entfernt.

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Rastertunnelmikroskopaufnahme einer Si(001) Oberfläche, die auf atomarer Skala bearbeitet wuirde (M. Dürr, Marburg)


Unsere aktuellen Arbeiten beschäftigen sich mit der mikroskopischen Beobachtung von Diffusionsvorgängen auf Oberflächen, die entweder thermisch oder elektronisch durch Absorption ultrakurzer Laserimpulse induziert wird. Modellsysteme sind hier zum einen Wasserstoff auf Silizium und zum anderen Sauerstoff auf Platin.


Genaueres kann man auf der Hompage der AG Oberflächen erfahren.

Zuletzt aktualisiert: 04.10.2010 · armbrusn

 
 
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