Rastertunnelmikroskop

Dieser Text beschreibt Rastertunnelmikroskop.

Rastertunnelmikroskop

Das Rastertunnelmikroskop oder Rastertunnelektronenmikroskop (abgekürzt RTM, oder STM von englisch scanning tunnelling microscope) ist ein Mikroskop, das in der Oberflächenphysik eingesetzt wird, und ein Objekt durch "Abtasten" abbildet.

Bei diesem indirekten Abbildungsverfahren wird eine elektrisch leitende Spitze systematisch (in einem Raster) über das Behandlungsobjekt gefahren. Sowohl Nadel als auch Objekt sind von Elektronenwolken umgeben. Der Abstand zwischen dem Objekt und der Spitze wird nun so klein gehalten, dass die Elektronen zwischen der Spitze und der Nadel ausgetauscht werden (Quantenmechanischer Tunneleffekt). Dies geschieht üblicherweise bei einer Entfernung von unter 1 nm.

Wird nun eine elektrische Spannung, in der Fachwelt auch Bias genannt, zwischen dem Behandlungsobjekt und der Spitze angelegt, so kann ein Strom, der so genannte Tunnelstrom fließen. Die Stärke dieses Stroms hängt sehr stark vom Abstand der Nadel zu dem Objekt ab. Für jeden Rasterpunkt lässt sich so der Abstand der Nadel zu dem Objekt rekonstruieren, wodurch ein dreidimensionales Bild des Objektes hergestellt werden kann. Dieses Verfahren wird als constant-height-method (CHM) genannt, da die absolute Höhe der Spitze nicht verändert wird.

CCM-Aufnahme einer Graphit-Oberfläche. Die Kohlenstoff-Atome bilden eine charakteristische Sechseck-Struktur.

Eine andere Methode der Abbildung ist es, die Höhe der Spitze so zu verändern, dass der Strom konstant bleibt (constant current method, CCM oder CGM - constant gap width method). Ist der Strom konstant, so ist auch der Abstand konstant. Somit lässt nun über die Position der Spitze das dreidimensionales Bild der Oberfläche rekonstruieren. Die Auflösung ist bei diesem Verfahren so hoch, dass die atomare Struktur der Oberfläche sichtbar wird.

Beiden gemein ist es, dass die Messspitze linienhaft über die Probe bewegt wird, bevor sie lateral versetzt eine benachbarte Linie erfasst. Hieraus ergibt sich ein Linienraster auf der Oberfläche. Neben dem Aufsetzen der Spitze hat CHM den Nachteil, dass sich die Spitze bei Vertiefungen soweit entfernen kann, dass der Strom nicht mehr messbar ist. Darum ist es sinnvoller, den Abstand beim scannen so zu variieren, dass der Tunnelstrom konstant bleibt (CCM).

Eine weitere Anwendung des Rastertunnelmikroskops ist die gezielte Veränderung eines Objektes. Hierbei wird die Nadel an die gewünschte Stelle des Objektes gebracht. Durch Anlegen einer (im Vergleich zur Abbildungsrasterung) hohen Spannung kann man nun Atome aus der Oberfläche lösen, und an die Spitze kleben. Wird die Spitze verfahren so zieht sie das Atom mit. An der neuen Position kann es anschließend durch ein sehr kurzes Anlegen einer hohen Spannung wieder abgelegt werden.

Erfunden wurde diese Messmethode 1982 durch die beiden Physiker Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, die hierfür schon 1986 den Nobelpreis in Physik erhielten.