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Sehen oder Fühlen: Das Rastertunnelmikroskop

by on 13.01.2008

Die Frage nach dem Wellen- oder Teilchencharakter stellt sich nicht nur beim Licht. Auch Elektronen können als Wellen oder als Teilchen beschrieben werden. Als “Trabanten” eines Atomkerns können sie darüber hinaus mit dem Licht in Wechselwirkung treten. Das bedeutet nicht, dass man Atome sehen kann, allerdings kann man bei der Spektroskopie aufgrund der abgestrahlten Farbspektren auf das untersuchte Atom schliessen. Ein direktes Sehen von Atomen mit einem noch so starken Mikroskop ist jedoch unmöglich. So hat das klassische Lichtmikroskop eine maximale theoretische Auflösung von etwa 200nm, weil Strukturen, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge des verwendeten (sichtbaren) Lichts, nicht mehr aufgelöst werden können. Es ist unmöglich, damit Atome zu sehen, weil deren Grösse einschliesslich der “Hülle” aus den Elektronenbahnen etwa 0,1 nm beträgt. Durch indirekte Verfahren, die sich die Beugung von Elektronenwellen an Oberflächen zu Nutze machen und den Nachteil haben, dass sie nur im Ultrahochvakuum funktionieren, konnten allerdings periodische atomare Strukturen sichtbar gemacht werden.

Aber Anfang der 80er Jahre wurde ein Gerät erfunden, das mittels eines quantenmechanischen Verfahrens “wirkliche” Bilder von einzelnen Atomen machen konnte: das Rastertunnelmikroskop, auch als STM (Scanning Tunneling Microscope) bezeichnet. Erdacht haben sich dieses Prinzip die beiden Physiker Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, die 1981 das erste funktionsfähige Rastertunnelmikroskop gebaut und dafür 1986 den Nobelpreis erhalten hatten.

Zum Vergleich:
Auflösung des menschlichen Auges: etwa 10 Punkte pro Millimeter.
Auflösung eines Lichtmikroskops: etwa 10 000 Punkte pro Millimeter.
Auflösung eines STM: ca. 500 000 000 Punkte pro Millimeter.

Wie ist diese erstaunliche Auflösung zu erklären? Das STM verwendet ein völlig anderes Prinzip zur „Betrachtung“ einer Oberfläche. Man stelle sich vor, daß eine Art Fingerspitze an der Oberfläche der Probe entlangfährt und so Informationen über deren Beschaffenheit gewinnt. Diese Fingerspitze ist eine sehr feine Nadel mit 0,25 Millimetern Durchmesser, deren Spitze das wichtigste Teil ist, denn von ihrer Form ist die maximale erreichbare Auflösung des STM abhängig. Idealerweise endet die Spitze in einem einzelnen Atom. Nadel und Oberfläche müssen elektrisch leitend sein, die Untersuchung selber kann sowohl im Vakuum als auch unter normalen atmosphärischen Bedingungen erfolgen.

Die Herstellung einer solchen Nadel ist verhältnismäßig einfach. Man verwendet einen weichgeglühten Platin-Iridiumdraht, der mittels eines Seitenschneiders vorsichtig eingekerbt und dann einfach abgerissen wird. Ein Nachteil dieser Methode ist allerdings, daß man nie genau weiß, wie die Spitze beschaffen ist und wie hoch die daraus resultierende Auflösung des STM sein wird. Sie ist abhängig von der Anzahl der Atome am Ende der Spitze: je mehr Atome, d. h. je dicker die Spitze, desto geringer wird die maximal erreichbare Auflösung. Die Spitzenform kann mit diesem angesichts der Empfindlichkeit der Apparatur äusserst groben Herstellungsverfahren logischerweise nicht reproduziert werden. Trotzdem gelingt es so mit einiger Erfahrung, brauchbare Spitzen zu bekommen. Wesentlich bessere kann man allerdings mittels eines Ätzverfahrens machen, die so erzeugten Spitzen sind sich in ihrer Geometrie auch sehr ähnlich.

Die Nadel ist auf einem winzigen Dreibein, dem Scankopf, montiert und wird mittels fein einstellbarer Schrauben der Oberfläche genähert, bis ein sogenannter Tunnelstrom zu fließen beginnt, d.h. die quantenmechanischen Zustände der Elektronen von Oberfläche und Spitze sich überlagern. Es kann ein Austausch von Elektronen stattfinden, obwohl es noch keinen mechanischen Kontakt gibt. Wird jetzt eine geringe Spannung angelegt, so beginnt ein Strom zu fließen, der Tunnelstrom. Über ein Piezoelement, eine Art Stellmotor, der einen Verstellbereich von etwa 0,5 Millimetern besitzt,wird die Nadel in konstantem Abstand von etwa ein bis zwei Nanometern (1 Nanometer = 1 millionstel Millimeter) entlang der Oberflächenkontur geführt. Die Höhe des Tunnelstroms wird dabei zur Ansteuerung des Piezoelementes benutzt: steigt der Strom, so wird die Spitze des STM von der Probe weg, sinkt er, wird die Spitze zur Probe hin bewegt. Über zwei weitere Piezoelemente wird der Halter mit der Spitze zeilenweise über die Oberfläche bewegt, vergleichbar etwa mit dem Zeitungslesen. So wird eine Zeile nach der anderen abgerastert (= gescannt). Die Steuerspannungen der einzelnen Piezos werden als Information über Länge, Breite und Höhe der untersuchten Probe auf dem angeschlossenen Computer wiedergegeben. Die Höheninformationen werden dabei als unterschiedliche Helligkeitswerte dargestellt. Es gibt auch Rastertunnelmikroskope, bei denen die Probe mittels der Piezos unter der Spitze bewegt wird.

Wie man sich sicher vorstellen kann, wird für das ganze Gerät außer den mechanischen Komponenten mit Scankopf und Nadel noch eine Hand voll Elektronik zur Verstärkung des Tunnelstroms (für interessierte Leser: ein spezieller Operationsverstärker mit dem verschwindend kleinen Eingangsstrom von 75 fA erfaßt den Tunnelstrom der Spitze, der im Nanoamperebereich liegt, und verstärkt ihn ungefähr auf das 10 000fache) und zur Ansteuerung der Piezos benötigt. Den Hauptteil der Steuer- und Regelaufgaben sowie die Darstellung als Bild erledigt dabei der angeschlossene Computer mittels einer speziellen Mess- und Ausgangskarte.

Es stellt sich allerdings die Frage, was man dann auf dem Monitor sieht. Man ist versucht, die aufgezeichneten Bildpunkte direkt den atomaren oder molekularen Oberflächenstrukturen zuzuschreiben. Diese Bildpunkte stellen die Bewegung der Abtastspitze dar, die in konstantem Abstand über die Probe fährt. Dabei reagiert sie auch auf elektrische Ladungen, die möglicherweise auf der Oberfläche sitzen. Letztendlich zeigt das STM die Elektronendichte der Oberfläche.

STM1

Bild 1: Das STM. Über der Grundplatte liegt die Trägerplatte auf drei Feingewindeschrauben, auf ihr ist das Gehäuse des Vorverstärkers zu sehen. In ihrer Aussparung vorne befindet sich die Scaneinheit mit der Nadel.

Dreibein

Bild 2: Scannergehäuse mit dem Nadelträger und zwei Piezoelementen bei der Montage. Die Seitenlänge des Scannergehäuses beträgt 13,5mm.

Gold_400

Bild 3: Oberfläche einer goldbedampften Glasplatte. Deutlich erkennbar sind leichte Störungen des Bildes (feine Streifen) sowie aufeinanderliegende Schichten Gold. Die untersuchte Fläche hat eine Größe von 400×400 Nanometer.

HOPG2

Bild 4: Aufnahme einer Graphitoberfläche (HOPG). Hier sind bereits die einzelnen Atome zu erkennen. Die untersuchte Fläche besitzt eine Größe von 2×2 Nanometern.

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Bild 5: Dreidimensionale und gedrehte Darstellung der vorherigen Aufnahme

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Bild 6: Schaumstoff zur Schallisolierung. Die Ähnlichkeit mit dem HOPG-Scan ist verblüffend.

Lutz Zimmermann

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From → Fotografie

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