Nanotechnologie in der Schule - Prof. Dr. Thomas Wilhelm

A Das Rastertunnelmikroskop
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1 Was ist ein Rastertunnelmikroskop
1.1 Grundlagen
Das Rastertunnelmikroskop 1 (kurz: RTM) wurde 1981 von Gerhard Binnig und Heinrich Rohrer am IBM-
Forschungszentrum Rüschlikon in der Schweiz erfunden. Der Vorteil dieses Mikroskopes ist, dass man eine
deutlich bessere Auflösung als mit herkömmlichen optischen Mikroskopen erreichen, man also viel feinere Stukturen
sichtbar machen kann. Bei optischen Instrumenten ist die Auflösungsgrenze von der Wellenlänge des
verwendeten Lichtes, sowie der Brennweite und dem Durchmesser der verwendeten Linsen abhängig. Man kann
bei bestmöglicher Kombination dieser Parameter zwei Punkte nur getrennt wahrnehmen, wenn diese mehr als
eine halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts auseinanderliegen. Mit violettem Licht λ = 380nm kann man
also noch zwei Punkte auf einem Objekt als getrennt wahrnehmen, wenn diese mehr als 190nm auseinanderliegen.
Mit einem guten Rastertunnelmikroskop kann man hingegen Strukturen bis zu 0,1nm auflösen. Somit kann
man sogar einzelne Atome sichtbar machen.
1.2 Aufbau
Das in diesem Versuch vorhandene Rastertunnelmikroskop wurde selbst gebaut. Es besteht aus einem alten
Schlauch aus einem Reifen, einer schweren Steinplatte sowie dem eigentlichen Mikroskop. Zusätzlich gibt es eine
Spannungsquelle, eine Einheit zum Verstärken des Tunnelstroms sowie eine Interface-Box als Schnittstelle zum
Computer. Anbei ein Foto und eine Grafik, die den schematischen Aufbau verdeutlichen:
1.3 Hintergründe
Wichtig für die Funktionsweise des Rastertunnelmikroskops ist, wie der Name schon sagt, der quantenmechanische
Tunneleffekt.
1.3.1 Die Wellenfunktion
1923 kam Louis de Broglie auf die Idee, bekannten Teilchen, wie Atomen und Elektronen, Welleneigenschaften
zuzusprechen. Eine experimentelle Untermauerung dieser Idee lieferte beispielsweise der Versuch zur Elektronenbeugung
an einem Doppelspalt: Schießt man einen Elektronenstrahl auf einen Doppelspalt, so kann man
hinter dem Spalt ein typisches Interferenzmuster, wie man es bei dem Versuch der Beugung und Interferenz
von Wasserwellen beobachten kann, feststellen. Man kann den Teilchen mathematisch eine Wellenfunktion Ψ(x)
zuordnen.
1.3.2 Der Tunneleffekt
Man stelle sich nun vor, dass sich nach klassischer Modellvorstellung ein Elektron mit einer bestimmten kinetischen
Energie Ekin > 0 auf eine Potentialbarriere mit einer Energie Epot >Ekin zubewegt. Dies entspricht
etwa einer Kugel mit einer bestimmten Bewegungsenergie Ekin, die über einen Berg rollen soll. Allerdings
reicht deren kinetischen Energie nicht aus, um den Berg bzw. die Barriere zu überwinden, und man würde kein
Elektron/keine Kugel auf der anderen Seite erwarten. Alle Elektronen werden von dem Berg „zurückreflektiert“.
Experimentell hat man jedoch festgestellt, dass etliche Elektronen einen solchen „Berg“ überwinden, „sie
tunneln gewissermaßen durch den Berg, den sie klassisch nicht überwinden könnten“.
1 Englisch: scanning tunneling microscope (kurz: STM)
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