Nanotechnologie in der Schule - Prof. Dr. Thomas Wilhelm
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Nanotechnologie in der Schule - Prof. Dr. Thomas Wilhelm Nanotechnologie in der Schule - Prof. Dr. Thomas Wilhelm

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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. 64 1 Eine genauere Beschreibung der Funktionsweise des Kristalls findet man im Kapitel 4.4 auf Seite 67.

4.3 Arbeitsweisen des Rastertunnelmikroskops Allerdings ist diese Interpretation nur bedingt geeignet, da beispielsweise Kräfte zwischen Oberfläche und Spitze sowie auch sich lokal ändernde Barrierehöhen nicht berücksichtigt werden. Konstant-Höhen Modus Eine andere Betriebsart ist die des Konstant-Höhen Modus. Hierbei wird eine konstante Höhe über der Probe eingestellt und im Laufe der Messung (Ux und Uy am Piezo werden wieder variiert) konstant gehalten. Der Tunnelstrom I0 und dessen Änderungen sind das alleinige Maß für die Veränderung der Oberfläche. Diese Betriebsart funktioniert nur bei relativ glatten Proben, denn bei zu rauen Oberflächen besteht die Gefahr, dass die Spitze die Oberfläche berührt. Dadurch würde die Spitze zerstört werden und ein leitender Kontakt hergestellt. Aus diesen Gründen wird diese Methode in der Praxis kaum angewandt. 4.3.2 Tunnelspektroskopie Eine detaillierte Information über die elektronischen Eigenschaften der Probe erreicht man mit Hilfe der Rastertunnelspektroskopie [Die06]. An einem festem Ort (x, y) über der Probe wird einer der Parameter I, U oder z variiert und ein anderer in Abhängigkeit dessen gemessen. Hierbei gewinnt man beispielsweise Informationen über die Zustandsdichte der Probe, die Barrierenhöhe und vieles mehr. In den folgenden Unterabschnitten werden die verschiedenen Spektroskopie-Modi vorge- stellt und deren Messergebnisinterpretationen kurz angerissen. Zunächst soll die gängige Spektroskopiemethode, die I-U Spektroskopie, erklärt werden. I-U Spektroskopie Bei der I-U Spektroskopie fixiert man die Position der Spitze (x, y, z). Man verändert lediglich die zwischen Probe und Spitze angelegte Tunnelspannung U und misst in Ab- hängigkeit derer den Tunnelstrom I. Dabei lassen sich die in Abschnitt 4.2.4 auf Seite 63 gemachten Feststellungen beobachten. „Nach dem Modell von Tersoff und Hamann ist die bei einer bestimmten Spannung gemessene Ableitung des Tunnelstroms proportional zur Zustandsdichte der Probe am Ort des Mittelpunkts der Spitze“ r0 [Die06]. Somit kann man lokal Informationen über die elektronische Zustandsdichte der Probe aus den I(U)- 65

4.3 Arbeitsweisen des Rastertunnelmikroskops<br />

Allerd<strong>in</strong>gs ist diese Interpretation nur bed<strong>in</strong>gt geeignet, da beispielsweise Kräfte zwischen<br />

Oberfläche und Spitze sowie auch sich lokal än<strong>der</strong>nde Barrierehöhen nicht berücksichtigt<br />

werden.<br />

Konstant-Höhen Modus<br />

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Höhe über <strong>der</strong> Probe e<strong>in</strong>gestellt und im Laufe <strong>der</strong> Messung (Ux und Uy am Piezo werden<br />

wie<strong>der</strong> variiert) konstant gehalten. Der Tunnelstrom I0 und dessen Än<strong>der</strong>ungen s<strong>in</strong>d das<br />

alle<strong>in</strong>ige Maß für die Verän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Oberfläche.<br />

Diese Betriebsart funktioniert nur bei relativ glatten Proben, denn bei zu rauen Oberflächen<br />

besteht die Gefahr, dass die Spitze die Oberfläche berührt. Dadurch würde die Spitze<br />

zerstört werden und e<strong>in</strong> leiten<strong>der</strong> Kontakt hergestellt. Aus diesen Gründen wird diese<br />

Methode <strong>in</strong> <strong>der</strong> Praxis kaum angewandt.<br />

4.3.2 Tunnelspektroskopie<br />

E<strong>in</strong>e detaillierte Information über die elektronischen Eigenschaften <strong>der</strong> Probe erreicht man<br />

mit Hilfe <strong>der</strong> Rastertunnelspektroskopie [Die06]. An e<strong>in</strong>em festem Ort (x, y) über <strong>der</strong> Probe<br />

wird e<strong>in</strong>er <strong>der</strong> Parameter I, U o<strong>der</strong> z variiert und e<strong>in</strong> an<strong>der</strong>er <strong>in</strong> Abhängigkeit dessen<br />

gemessen. Hierbei gew<strong>in</strong>nt man beispielsweise Informationen über die Zustandsdichte <strong>der</strong><br />

Probe, die Barrierenhöhe und vieles mehr.<br />

In den folgenden Unterabschnitten werden die verschiedenen Spektroskopie-Modi vorge-<br />

stellt und <strong>der</strong>en Messergebnis<strong>in</strong>terpretationen kurz angerissen. Zunächst soll die gängige<br />

Spektroskopiemethode, die I-U Spektroskopie, erklärt werden.<br />

I-U Spektroskopie<br />

Bei <strong>der</strong> I-U Spektroskopie fixiert man die Position <strong>der</strong> Spitze (x, y, z). Man verän<strong>der</strong>t<br />

lediglich die zwischen Probe und Spitze angelegte Tunnelspannung U und misst <strong>in</strong> Ab-<br />

hängigkeit <strong>der</strong>er den Tunnelstrom I. Dabei lassen sich die <strong>in</strong> Abschnitt 4.2.4 auf Seite 63<br />

gemachten Feststellungen beobachten. „Nach dem Modell von Tersoff und Hamann ist<br />

die bei e<strong>in</strong>er bestimmten Spannung gemessene Ableitung des Tunnelstroms proportional<br />

zur Zustandsdichte <strong>der</strong> Probe am Ort des Mittelpunkts <strong>der</strong> Spitze“ r0 [Die06]. Somit kann<br />

man lokal Informationen über die elektronische Zustandsdichte <strong>der</strong> Probe aus den I(U)-<br />

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