Von Andreas Enns Proseminar SS 2010 RASTERTUNNEL-reimann/PROSEMINAR/zz_enns.pdf · Das...
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Inhalt
1. Allgemeines zum STM
2. Was sind die Vorzüge des STM?
3. Die Theorie - Welche Physik steckt dahinter?1. Der Tunneleffekt
2. Piezoelektrischer Effekt
4. Aufbau und Funktionsweise eines STM1. Der Tunnelstrom
2. Die Spitze
3. Die Vorspannung
4. Operationsmodi / Wie werden Aufnahmen erstellt?
5. Beispiele
6. 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
IT
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
Heute weit verbreitet in Physik, Biologie und Chemie
Binnig
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 ElectronMicroscp.) 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
3.1 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
4.1 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 OperationsmodiWie 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. 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
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