Nanotechnologie in der Schule - Prof. Dr. Thomas Wilhelm

4 Allgemeines zum Rastertunnelmikroskop
nicht rechteckig, sondern fällt zur Probe hin ab. Legt man eine Spannung U zwischen Probe
und Spitze an, so verschiebt dies die beiden Ferminiveaus relativ zueinander. Für U > 0
(siehe Abbildung (c)) tunneln Elektronen elastisch von besetzten Zuständen der Spitze in
unbesetzte der Probe. Für U < 0 geschieht dies umgekehrt (siehe Abbildung (d)).
4.3 Arbeitsweisen des Rastertunnelmikroskops
Nachdem nun der Tunneleffekt geklärt wurde, soll im folgenden Unterkapitel die konkrete
Funktionsweise und technische Realisierung des RTMs behandelt werden.
Messungen mit dem Rastertunnelmikroskop können auf unterschiedliche Art und Weise
durchgeführt werden. Man unterscheidet die folgenden fünf Betriebsarten, die in zwei Ka-
tegorien geordnet sind [Die06]:
4.3.1 Topografische Betriebsart
Mit dem topografischen Betriebsmodus erreicht man eine Auflösung von leitfähigen Ober-
flächen im atomaren Bereich. Hierbei unterscheidet man wiederum zwei verschiedene Be-
triebsmodi, den Konstant-Strom Modus und den Konstant-Höhen Modus.
Konstant-Strom Modus
In diesem Modus wird die Probe so abgerastert, dass konstant der gleiche Tunnelstrom
fließt. Die Steuerung und Nachregulation der Spitze erfolgt mit Hilfe eines Piezokristalls 1 .
Man gibt eine Spannung Ux und Uy am Piezo vor. Dies bewirkt, dass sich die Spitze
in einer Position in der x-/y-Ebene über der Probe positioniert. Befindet man sich nahe
genug über der Oberfläche, fließt ein bestimmter Tunnelstrom I0. Eine Variation der am
Piezokristall anliegenden Spannungen Ux bzw. Uy bewirkt ein Bewegen der Spitze in x−
bzw. y− Richtung. Ändert sich die Topografie der Oberfläche, so ändert sich auch der
Tunnelstrom I. Mit einer Nachregulation der Spannung Uz am Piezo, korrigiert man jetzt
die Spitzenhöhe z über der Probe, bis wieder der ursprüngliche Tunnelstrom I0 fließt. Die
am Piezo anliegende Spannung Uz macht also eine direkte Aussage über die Topografie der
Oberfläche. Nach dem Modell von Tersoff und Hamann versteht man unter Topografie
die Hyperfläche konstanter Zustandsdichte.
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1 Eine genauere Beschreibung der Funktionsweise des Kristalls findet man im Kapitel 4.4 auf Seite 67.