Rastertunnelmikroskop

Rastertunnelmikroskop_2004.jpg Das Rastertunnelmikroskop oder auch Rastertunnelelektronenmikroskop, selten auch Tunnelelektronenmikroskop (abgekürzt RTM, oder STM von englisch scanning tunnelling microscope) ist ein Mikroskop, das in der Oberflächenphysik/Oberflächenchemie eingesetzt wird, um die Oberfläche einer Probe abzubilden. Die Rastertunnelmikroskopie unterscheidet sich von den länger bekannten und verwendeten oberflächensensitiven Beugungsmethoden wie z. B. der Beugung langsamer Elektronen (LEED) dadurch, dass sie ein "reales" Abbild der Probenoberfläche erzeugt (Abbildung im Ortsraum). Dadurch kann die Rastertunnelmikroskopie im Gegensatz zu den Beugungsmethoden (die im inversen Raum abbilden) auch nicht-periodische, lokale Strukturen - wie z. B. Oberflächendefekte und Nanostrukturen- sichtbar machen.

Bei der rastertunnelmikroskopischen Messung wird eine elektrisch leitende Spitze (auch Nadel) systematisch (in einem Raster) über das ebenfalls leitende Untersuchungsobjekt gefahren. Die Spitze und die Objektoberfläche sind dabei nicht in elektrischem Kontakt, und wegen des isolierenden Mediums dazwischen (Luft oder Vakuum) dürfte eigentlich kein Stromfluss auftreten. Nähert man jedoch die Spitze der Oberfläche auf atomare Größenordnungen (Nanometer) an, so überlagern sich die quantenmechanischen Zustände der Elektronen von Oberfläche und Spitze, so dass eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit zum Austausch von Elektronen auftritt, was bei Anlegen einer kleinen Spannung zu einem Tunnelstrom (Quantenmechanischer Tunneleffekt) führt. Dieser Tunnelstrom ist sehr empfindlich auf kleinste Abstandsänderungen. Beim Abrastern der Probenoberfläche wird nun die Höhe der Spitze dynamisch so geregelt, dass der Tunnelstrom konstant bleibt. Damit fährt die Spitze ein getreues "Höhenprofil" der Oberfläche nach, wobei das Höhen-Regelsignal zur Darstellung der Probenoberfläche benutzt wird. Die Rastertunnelmikroskopie ist ein indirektes Abbildungsverfahren, da das Gesamtbild einer Messung aus den an jedem Rasterpunkt gemessenen und in Graustufen umgerechneten Werten des Höhen-Regelsignals zusammengesetzt wird.

Da das Prinzip der Rastertunnelmikroskopie auf der Messung eines Stromflusses zwischen der Probe und der Spitze des Rastertunnelmikroskops beruht, können nur elektrisch leitende Proben (Metalle, Halbmetalle, hinreichend leitfähige Halbleiter, Supraleiter) untersucht werden.

Die mit dem Rastertunnelmikroskop gewonnenen Abbildungen entsprechen allerdings nicht der "wahren" atomaren (geometrischen) Struktur der Oberfläche. Vielmehr wird zunächst die elektronische Oberflächenstruktur gemessen. Atomare und elektronische Struktur der Oberfläche können - müssen aber nicht - übereinstimmen. Diese Tatsache wird bei der Interpretation von rastertunnelmikroskopischen Aufnahmen oft vernachlässigt.

Experimentelle Randbedingungen

Aufgrund des ultrakurzen Abstandes zwischen Spitze und Probenoberfläche von ca. 1 nm (Nanometer) muss ein Rastertunnelmikroskop in der Regel gegenüber der Umwelt schwingungsisoliert werden. Dies geschieht meist mit einer Kombination aus einem Federsystem und einer Dämpfung (oft in Form einer Wirbelstrombremse). Ferner sind Temperaturschwankungen zu vermeiden, da diese Verzerrungen und Längenänderungen im Aufbau bewirken, die meist schnell mehr als 1 nm betragen. Auch eine elektromagnetische Abschirmung gegenüber der Umwelt ist aufgrund der oft nur 10 bis 1000 pA (Pico ampere) betragenden Tunnelströme notwendig.

Die Tunnelspannungen zwischen Spitze und Probe betragen in der Regel wenige bis zu einigen 100 mV bei Metallen, Halbmetallen und Supraleitern und einige Volt bei Halbleitern.

Sowohl die zu untersuchende Oberfläche als auch die benutzte Spitze müssen an der Oberfläche elektrisch ideal leitend sein. Dies ist in der Regel unter Normalbedingungen nicht der Fall, da beide oxidieren oder andersweitig verschmutzt werden können. Deshalb wird die Rastertunnelmikroskopie oft im Ultrahochvakuum durchgeführt, was einen nicht zu unterschätzenden technischen Aufwand bedeutet.

Die Bewegung der Spitze relativ zur Probenoberfläche wird mit Hilfe von piezoelektrischen Keramiken bewerkstelligt. Diese lassen eine hochpräzise Kontrolle im sub-Nanometer Maßstab über angelegte elektrische Spannungen zu.

Theorie

Der Tunneleffekt im Vakuum zwischen einer Spitze und einer Probe wurde bereits 1961 von John Bardeen mit Hilfe der zeitabhängigen Störungstheorie erster Ordnung (Fermis Goldene Regel) erklärt. Überträgt man diese Theorie auf die Rastertunnelmikroskopie, so ist eine atomar genaue Kenntnis der Spitze notwendig, um die gemessenen Bilder zu interpretieren. Eine wesentliche Vereinfachungen stellt die sogenannte Tersoff-Hamann-Theorie (1985) dar, die den Einfluss der Spitze auf die Messung vernachlässigt und Aussagen über die elektronische Struktur der Probe liefert. Die Spitze wird dabei als Metall mit linearer elektronischer Zustandsdichte und kugelsymmetrischen s-Wellenfunktionen angenommen. Eine Erweiterung dieser Theorie lieferte C. Julien Chen (1987), der komplexere Spitzengeometrien berechnete. Eine wirklich dreidimensionale Theorie zum Rastertunnelmikroskop ist zwar analytisch aufstellbar, jedoch in der Regel kaum lösbar und damit von untergeordneter Bedeutung. Dreidimensionalen Systeme können nur näherungsweise numerisch berechnet werden, meist unter der Zuhilfenahme mehrerer abgeschätzter Parameter.

Mess-Modi

Ein STM arbeitet mit einem Abstand der Spitze von der Probe bzw. mit einer Auflösung die geringer als die Wellenlänge der Tunnelelektronen (vergleiche Materiewellen und de Broglie-Gleichung) sind. Es wird eine elektrische Spannung (englisch bias oder tunneling bias) zwischen dem Untersuchungsobjekt und der Spitze angelegt, so kann ein Strom, der so genannte Tunnelstrom fließen.

Modus Konstanter Höhe (constant height method, abgek. CHM)
Die absolute Höhe der Spitze über der Probe wird nicht verändert. Da die Stärke dieses Stroms sehr stark (exponentiell) vom Abstand der Nadel zum Objekt abhängt, lässt sich für jeden Rasterpunkt so der Abstand der Nadel zum Objekt rekonstruieren, wodurch ein dreidimensionales Bild des Objektes hergestellt wird. Das ist nur für im wesentlichen flache Proben möglich. Allerdings ermöglicht dieser Modus ein sehr schnelles Abrastern der Probenoberfläche. Dies ist für die Erstellung von zeitaufgelösten Filmen von Veränderungen an der Probenoberfläche wichtig. Ansonsten hat der Modus Konstanter Höhe kaum praktische Bedeutung.

Modus Konstanten Tunnelstroms (constant current method, abgek. CCM oder constant gap width mode, abgek. CGM)
Eine andere Methode der Abbildung beruht darauf, die Höhe der Spitze fortlaufend so zu verändern, dass der Strom konstant bleibt. Dies geschieht über einen elektronischen Regelkreis zur Abstandsregelung. Somit lässt sich nun über die Position der Spitze das dreidimensionale Bild der Oberfläche direkt bestimmen. Die Auflösung ist bei diesem Verfahren so hoch, dass die atomare elektronische Struktur der Oberfläche sichtbar wird. Der Bildkontrast darf jedoch nicht direkt als atomare Struktur verstanden werden. Inzwischen sind mindestens 9 verschiedene Kontrastmechanismen bekannt, die die Bildentstehung beeinflussen und bei der Interpretation beachtet werden müssen. Allerdings ist die Methode durch den Regelkreis in ihrer Messgeschwindigkeit begrenzt, die Aufnahme eine Bildes dauert in der Regel mehrere 10 Sekunden bis zu Stunden. In der Praxis wird meistens dieser Modus benutzt.

Spektroskopiemodus, auch Rastertunnelspektroskopie (engl. scanning tunneling spectroscopy), abgek. STS
Da man mit dem STM über den Tunneleffekt vermittelt zunächst die lokale elektronische Struktur der Probenoberfläche misst, kann man das STM auch direkt zur Bestimmung dieser ausnutzen. Zum Beispiel erscheint ein einzelnes Sauerstoffatom auf einer Oberfläche des Halbleitermaterials Galliumarsenid mal als Mulde und mal als Hügel, je nachdem, ob man positive oder negative Spannung zwischen Spitze und Probe anlegt.
Man kann das ausnutzen, um entweder die energetischen Lagen der Oberflächenzustände einer Probe (STS-Spektren an einem Ort) oder die Orte an denen sich Elektronen bei einer bestimmten Energie (entspricht der Tunnelspannung) aufhalten dürfen (SPS-Bilder bei konstanter Tunnelspannung) zu bestimmen. Man muss dazu der Tunnelspannung eine kleine hochfrequente Wechselspannung überlagern und kann dann aus der Ableitung des Stromes nach der Spannung die sogenannte Zustandsdichte errechnen. Die Rastertunnelspektroskopie wird oft bei tiefen Temperaturen von wenigen Kelvin durchgeführt, das die energetische Auflösung über die Fermi-Verteilung von der Temperatur abhängt. Der Spektroskopiemodus ist weiterhin in diverse Untermodi unterteilt.

Den drei Methoden (CHM, CCM und STS-Bilder) ist gemein, dass die Messspitze linienhaft über die Probe bewegt wird, bevor sie lateral versetzt eine benachbarte Linie erfasst. Hieraus ergibt sich ein Linienraster auf der Oberfläche.

Neben dem Aufsetzen der Spitze hat die Methode der konstanten Höhe den Nachteil, dass sich die Spitze bei Vertiefungen soweit entfernen kann, dass der Strom nicht mehr messbar ist. Im Falle von Bergen auf der Oberfläche rammt die Spitze meist in die Probenoberfläche und wird dadurch zerstört. Der Vorteil ist dagegen, dass der Abstand nicht nachgeführt werden muss und damit schnelle Aufnahmen möglich sind (Video-RTM). Bei statischen Proben ist es sinnvoller, den Abstand beim Rastern so zu variieren, dass der Tunnelstrom konstant bleibt (CCM).

Objektveränderung

Eine weitere Anwendung des Rastertunnelmikroskops ist die gezielte Veränderung eines Objektes. Hierbei wird die Nadel an die gewünschte Stelle des Objektes gebracht. Durch Anlegen einer (im Vergleich zur Abbildungsrasterung) hohen Spannung kann man nun Atome aus der Oberfläche lösen und an die Spitze kleben. Wird die Spitze nun von der Probe weggezogen, so reißt das Atom aus der Oberfläche heraus. An der neuen Position kann es anschließend durch ein sehr kurzes Anlegen einer hohen Spannung wieder abgelegt werden. Weiterhin gibt es auch die Möglichkeit des Schubsens oder Mitziehens von einzelnen Atomen oder Molekülen auf der Oberfläche durch geeignete, meist hohe Tunnelspannungen an der Spitze. Mithilfe dieser Methoden wurde das sogenannte atomare Schreiben durchgeführt, das Schriftzüge wie IBM, Logos einzelner Hochschulen oder Landkartenskizzen mit einzelnen Atomen auf Oberflächen darstellt.

Auf dem Gebiet der Magnetischen Datenspeicherung hat IBM ein Scanning-Tunnelmikroskop entwickelt, das bei sehr niedrigen Temperaturen funktioniert (~4 K). Damit sollen erfolgreiche Versuche durchgeführt worden sein, einzelne Atome in ihrer Spin-(magnetischen)-Ausrichtung in einer Magnetschicht zu verändern und gezielt zu beeinflussen. Die Methode wird Spin-Anregungs-Spektroskopie (Spin-Excitation-Spektroskopie) genannt. (Science Express. 2006, 4)

Forschungsgeschichte

Das erste erfolgreiche Experiment zum Nachweis eines abstandsabhängigen Tunnelstromes konnte am 18. März 1981 im IBM Forschungslabor in Rüschlikon (CH) durchgeführt werden. Die beiden Physiker Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, die das Experiment durchführten und das Rastertunnelmikroskop letztlich auch zum einsetzbaren Instrument machten, erhielten hierfür 1986 den Nobelpreis in Physik. Ferner waren auch Christian Gerber und E. Weibel an der Entwicklung beteiligt.

Anm.: Entgegen vieler Lehrbücher gibt es sehr wohl schon frühere Arbeiten auf diesem Gebiet, in denen die wesentlichen Aspekte eines RTM/STM demonstriert wurden - insbesondere das Auftreten eines Tunnelstromes. Dieses Gerät wurde von Russel Young, John Ward und Fredric Scire Ende der 60er Jahre als Topografiner entwickelt. Es gab jedoch bürokratische und technische Schwierigkeiten, beispielsweise störten die Vibrationen der Klimaanlage die Messungen. Das Nobelpreiskomitee erkannte jedoch später ihre Leistungen an.

Das Rastertunnelmikroskop ist der Vater aller anderen Rastersondenmikroskope mit Ausnahme des Rasterelektronenmikroskops. In der Folgezeit wurden vor allem das Rasterkraftmikroskop (AFM für atomic force microscope) und das optische Rasternahfeldmikroskop (SNOM für scanning near-field optical microscope) entwickelt, welche sich einer anderen atomaren Wechselwirkung bedienen. Die Entwicklung aller dieser Rastersondenmikroskope war eine wesentlicher Schritt in Richtung der Nanowissenschaften, da man mit ihnen auf recht einfache und vergleichsweise preiswerte Art und Weise nanoskopische Objekte (Objekte, die kleiner sind als die Lichtwellenlänge von 400 bis 800 nm) beobachten und darüber hinaus auch manipulieren kann.

Ferner hat die Rastertunnelmikroskopie wesentlich zur Veranschaulichung der Quantenmechanik beigetragen. Anfang der 90er Jahre des 20. Jahrhunderts wurden sogenannte Quantum Corrals erzeugt und gemessen. Quantum Corrals sind einfache geometrische Quantensysteme auf Oberflächen. Anhand dieser Quantum Corrals konnte extrem anschaulich die Analogie zwischen Elektronenwellen und Wasserwellen dargestellt werden, was eine bis dahin nicht vorhandene direkte Bestätigung der Quantenmechanik im Realraum ist. Die Abbildungen dieser Quantum Corrals gehen inzwischen um die Welt: Sie sind die meist dargestellten STM-Bilder auf Büchern und darüber hinaus auch in Tageszeitungen zu finden. Solche Bilder, ihre Interpretation und Wirkung sind inzwischen sogar Forschungsgegenstand der Bildwissenschaften (vergleiche Horst Bredekamp) und der Kunstgeschichte.

Siehe auch

Literatur

Gerd Binnig und Heinrich Rohrer: Gerät zur rasterartigen Oberflächenuntersuchung unter Ausnutzung des Vakuum-Tunneleffekts bei kryogenischen Temperaturen, Europäische Patentanmeldung 0 027 517, Priorität: 20.9.1979 CH 8486 79
Gerd Binnig, Heinrich Rohrer, C. Gerber und E. Weibel: Tunneling through a Controllable Vacuum Gap, Appl. Phys. Lett. 40, 178 (1982)
C. Julien Chen: Introduction to Scanning Tunneling Mircoscopy. Oxford University Press, Oxford 1993, ISBN 0-19-507150-6 (Englisch)
Roland Wiesendanger: Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy - Methods and Applications. Cambridge University Press, Cambridge 1994, ISBN 0-521-42847-5 (Englisch)
Russell Young, John Ward, Fredric Scire: The Topografiner. An Instrument for Measuring Surface Microtopography. in: Review of scientific instruments, with physics news and views. American Institute of Physics, Lancaster PA 43.1972, 999.

Weblinks

RTM im Deutschen Museum
Rastertunnelmikroskop im Eigenbau
STM builds a molecule
Liste (engl.) der Hersteller von Rastersondenmikroskopen im DMOZ

Oberflächenphysik | Spektroskopie | Messgerät | Quantenphysik | 1981

Gourt Home::Gourt :: Rastertunnelmikroskop