Elekrtonenikroskop (SEM) Film eines rasternden Rastertunnelmikroskops.
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Mit einem Elektronenmikroskop wird dem Rastertunnelmikroskop bei der Arbeit zugeschaut. Der Film veranschaulicht das Arbeitsprinzip des Rastertunnelmikroskops direkt: Eine scharfe Spitze tastet die Oberfläche ab. Ein Bild der Oberflächenbeschaffenheit wird Zeile für Zeile aufgebaut, wie beim Fernseher.

Der Film beginnt mit einem Überblick über Probe und Spitze bei niedriger Auflösung. Auf der Probe sind kleine Metallkristalle zu sehen. Nachdem das Elektronenmikroskop in die Probe hinein gezoomt hat, rastert de Spitze des Rastertunnelmikroskops die Kristallite mit einer Rasterweite von 5 µm ab.

Das Rastertunnelmikroskop hat seit seiner Erfindung, für die es 1986 einen Nobelpreis gab, die Abbildung von Oberflächen revolutioniert. Das Prinzip ist einfach: Mit einer feinen Spitze wird die Oberfläche abgetastet. Sitzt am Ende der Spitze ein einzelnes Atom, können Oberflächen mit atomarer Genauigkeit abgebildet werden. Trotz der extrem hohen Vergrößerung ist ein Rastertunnelmikroskop oft nur streichholzschachtelgroß.

Die Spitze des Rastertunnelmikroskops befindet sich so dicht über der Oberfläche der Probe, daß es zum quantenmechanischen Tunneln von Elektronen durch die Vakuumbarriere zwischen Spitze und Probe kommt. Wird eine Spannung zwischen Spitze und Oberfläche angelegt, so fließt ein Tunnelstrom, der exponentiell vom Abstand zwischen Spitze und Probe abhängt. Diese exponentielle Abstandsabhängigkeit ist der Grund für die enorme Empfindlichkeit des Rastertunnelmikroskops. Bei einer Abstandsänderung von nur einem Atomdurchmesser verändert sich der Tunnelstrom um mehr als das Zehnfache. Ein bestimmter Stromwert entspricht also einem bestimmten Abstand der Spitze zur Oberfläche. Während der horizontalen Bewegung der Spitze über die Probe wird der Strom durch vertikales Nachfahren der Spitze auf einen festen Sollwert geregelt. Die Stellgröße, der Abstand Spitze-Probe, wird dabei immer aufgezeichnet und entspricht der Oberflächenmorphologie. Fährt die Spitze über ein "Hindernis", z.B. ein Atom, so würde der Tunnelstrom größer. Die Regelung bewirkt ein Zurückziehen der Spitze, bis wieder der Sollabstand (= Sollstrom) erreicht ist. So folgt die Spitze der Oberflächenmorphologie immer in konstantem Abstand.

Während des Abrasterns der Oberfläche muß die Spitze in allen drei Raumrichtungen mit einer Genauigkeit von Bruchteilen eines Atomdurchmessers bewegt werden. Dazu ist die Spitze am Ende eines Keramikröhrchens befestigt, dessen Länge sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung (Piezo-Effekt) ändert. Durch Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an die verschiedenen Seiten des Piezoröhrchens kann die Spitze seitlich bewegt werden; durch Anlegen derselben Spannung an alle vier Elektroden wird die Spitze vertikal bewegt. Die ausgeregelte Höhe der Spitze wird nun aufgezeichnet, während ein Teil der Probe abgerastert wird. Dadurch ergibt sich ein Höhenprofil der zu untersuchenden Probe, das als Bild dargestellt wird. Ist die Spitze scharf genug, so können einzelne Atome abgebildet werden.

Dieses Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau des am Institut für Grenzflächenforschung und Vakuumphysik entwickelten "beetle"-Rastertunnelmikroskops. Die Annäherung der Probe an die Spitze erfolgt dabei durch eine koordinierte Bewegung der drei äußeren Piezoelemente. Abwechselnde Haftreibung und Gleitreibung führt dabei zu einer Rotation des Rampenrings an dem die Probe befestigt ist. Durch die Schräge der drei Rampen wird dabei die Probe an die Spitze angenähert. Das Bild rechts zeigt die atomare Abbildung einer Siliziumoberfläche. Die gelben Kreise sind einzelne Siliziumatome. (Gelb entspricht den hohen Stellen und schwarz den tiefsten Stellen der Oberfläche.) Die Siliziumatome ordnen sich an der Oberfläche in einem regelmäßigen Muster an. Dieses Muster entspricht nicht der Anordnung der Atome, wie man sie von einem durchgeschnittenen Volumenkristall erwartet (Oberflächenrekonstruktion). Deutlich zu erkennen sind auch einige nicht in das Muster passende dunkle Stellen. Dies sind einzelne fehlende Atome (Defekte).

Video (englisch): Eine Reise durch die Nanowelt (WMV, MP4)
In diesem Video wird einem Mikroskop, das die Nanowelt abbildet, während des Mikroskopierens mit einem anderen Mikroskop zugeschaut. Wir laden Sie ein zu einer Reise in die Nanowelt, die Sie schließlich bis hinab in atomare Dimensionen führt. Alle Filme, die hier gezeigt werden sind aus originalen Mikroskopie Daten gemacht.

Mehr informationen finden Sie auch unter  http://www2.fz-juelich.de/ibn/group_voigtlaender.