F7 Rastertunnelmikroskopie

Das Prinzip der Rastertunnelmikroskopie ist relativ einfach:

Eine feine Metallnadel wird dicht an eine elektrisch leitende Oberfläche herangebracht. Die quantenmechanischen Wellenfunktionen der Elektronen auf der Oberfläche eines Festkörpers fallen nach außen hin exponentiell ab. Bei ausreichend kleinen Abständen von etwa 0,5nm zwischen der Metallspitze und der Probenoberfläche können sie überlappen. Aufgrund des Tunneleffektes gelangen dann Elektronen von einem Metall ins andere. Legt man zwischen Probe und Spitze eine externe Spannung an, die bei Metalloberflächen etwa 0,1V und bei Halbleiteroberflächen ungefähr 2V betragen muss, so fließt über den äußeren Stromkreis ein resultierender Tunnelstrom von etwa 1nA. Mittels piezoelektrischer Stellelemente kann man die Metallnadel nahe genug an die Oberfläche heranbringen und auch rastermäßig über die Oberfläche hinwegführen. Dabei bewirken kleinste Änderungen des Abstandes beispielsweise durch eine atomare Stufe auf der Probenoberfläche merkliche Änderungen des Tunnelstromes. Vielfach benutzt man dabei den Tunnelstrom zur Regelung des Abstandes zwischen Metallspitze und Probenoberfläche. Das hierfür am Stellelement erforderliche Regelspannungssignal ist ein Maß für die Topografie der Oberfläche. Die Möglichkeit mittels piezoelektrischer Elemente Auslenkungen im Bereich von Atomdurchmessern einzustellen, liefert in Verbindung mit der feinen Nadelspitze und der exponentiellen Abhängigkeit des Tunnelstromes vom Abstand eine sehr hohe Auflösung in der Richtung senkrecht als auch parallel zur Oberfläche. Mit dem Raster-Tunnel-Mikroskop (STM) steht somit ein Instrument zur Verfügung, mit dessen Hilfe einzelne Atome auf Oberflächen sichtbar gemacht werden können.

Die hier möglichen Untersuchungen mit dem STM vermitteln einen unmittelbaren Eindruck von der molekularen und elektronischen Struktur verschiedener Materialoberflächen.