Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

Methoden
M31: Rastertunnel mikroskopie (RTM / STM)
M31: Rastertunnelmikroskopie
(RTM / STM)
Im Rastertunnelmikroskop (RTM, oder engl.
Scanning Tunneling Microscope, STM) wird das
abzubildende Objekt auf einer Oberfläche mit einer
feinen Metallspitze abgetastet (Abb. 1). Wird die
Spitze nahe, d.h. in den Abstand ≤ 1 nm, an die
Probe gebracht und wird eine kleine Spannung
(einige Millivolt bis Volt) zwischen der Spitze und
der Probe angelegt, so fließt ein kleiner Strom.
Dieser Strom (typisch einige Nanoampère) wird
Tunnelstrom genannt, da er auf Grund des quantenmechanischen
Tunneleffekts entsteht. Die enorme
vertikale (und auch laterale) Auflösung des RTMs
ist dadurch erklärbar, dass der Tunnelstrom exponentiell
vom Abstand zwischen Probe und Spitze
abhängt: Wenn der Abstand um 0,1 nm verändert
wird, verändert sich der Tunnelstrom um das 10-
fache. Der Tunnelstrom kann als Regelgröße im
RTM verwendet werden, wobei er in einem Rückkopplungskreis
von der Steuerelektronik durch
Veränderung des Abstandes zwischen Spitze und
Probe konstant gehalten wird. Auf diese Weise
werden Höhenänderungen an der Oberfläche in
Höhenänderungen der Abtastspitze über der Probe
umgesetzt. Wird die Spitze mit Hilfe eines Piezoelementes
rasterförmig über die Oberfläche bewegt
und der Abstand Spitze-Probe als Funktion der
Position aufgezeichnet, so entsteht ein Abbild der
Oberflächentopographie, die mit atomarer Auflösung
dargestellt werden kann.
die Änderung des Tunnelstromes gemessen wird.
In der Regel findet der „Konstant-Strom-Modus“
Anwendung. Hier wird die Spitze an jeder lateralen
Position auf einen konstanten Tunnelstrom
eingestellt. Als Messwert dient der Abstand, um
den sich die Spitze an die Probe annähern oder
von ihr entfernen muss, um den Tunnelstrom konstant
zu halten. Eine weitere Meßmethode ist der
„Spektroskopie-Modus“. Bei dieser Betriebsart
wird an jedem lateralen Messpunkt die Variation
des Tunnelstroms mit der angelegten Spannung
aufgezeichnet (Strom-Spannungs-Kennlinie). Der
Spektroskopie-Modus ermöglicht die Messung der
lokalen elektronischen Eigenschaften einer Probe,
d.h. die Bestimmung der elektronischen Struktur
bis auf atomares Niveau.
Bei Rastertunnelmikroskopen können drei
verschiedene Messmodi unterschieden werden:
Beim „Konstant-Höhen-Modus“ rastert die Spitze
in konstanter Höhe über eine Probe, während
Abbildung 1:
Schematische Darstellung der Funktionsweise
eines Rastertunnelmikroskops.
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Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005