Raster-Tunnel-Mikroskopie - Fakultät für Physik

Halbleiter sind dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Valenz- und Leitungsband eine
Energielücke existiert, die für die Elektronen verboten ist. Die elektrische Leitfähigkeit, d.h.
das Anheben von Elektronen über die Lücke hinweg ins Leitungsband, kann durch thermische
oder optische Anregung erzeugt werden. Oder man ‘pflanzt’ mittels Fremdatomen mit anderer
Valenzelektronenanzahl Zustände in die Energielücke ein, was zu einer höheren Zahl
beweglicher Ladungsträger führt, genannt ‘Dotierung’ ([10]).
RTM-Untersuchungen von Halbleiteroberflächen sind nur im Ultra-Hoch-Vakuum
(UHV) möglich, da diese Materialien an ihren Grenzflächen freie Valenzen besitzen, die an
Luft entweder sehr schnell Oxidschichten oder instabile Zwischenschichten ausbilden, die
isolierend wirken.
Die Fermi-Energie der Halbleiter liegt bei nicht vorhandener Tunnelspannung in der
Energielücke. Damit die Voraussetzungen für das Elektronen-Tunneln zwischen Spitze und
Probe erfüllt sind (s. Kap.3), müssen Tunnelspannungen von einem Volt und mehr angelegt
werden.
Nichtsdestotrotz sind Halbleiteroberflächen ein lohnenswertes RTM-Forschungsgebiet
([2]):
(i) Bei Halbleitern existieren im Gegensatz zu Metallen lokalisierte
Oberflächenzustände, die mit Hilfe des RTM’s abgebildet werden können.
(ii) Halbleiteroberflächen neigen aufgrund ihrer freien Valenzen stark dazu, Rekonstruktionen
auszubilden, die mit anderen Untersuchungsmethoden sehr schwierig
auszumachen sind. Unter Rekonstruktionen versteht man Oberflächenveränderungen
aufgrund der Wechselwirkung der freien Valenzen, damit die Gesamtenergie des
Festkörpers minimiert wird.
(iii) Bei der Interpretation der RTM-Bilder fällt die Unterscheidung von elektronischen
und topologischen Eigenschaften oftmals sehr schwer. Deshalb nutzt man aus, daß die
erhaltenen Abbildungen der Halbleiterproben stark von der angelegten Tunnelspannung
abhängen. Liegt die Probe z.B. am Minuspol der Spannung, so tunneln die Elektronen
aus dem Valenzband des Halbleiters heraus, polt man um, so tunneln sie ins
Leitungsband der Probe hinein! Bei dotierten Halbleitern ist es bei entsprechender Wahl
der Tunnelspannung sogar möglich, die Zustandsdichten im Donator- bzw.
Akzeptorband abzubilden!
Wie oben schon erwähnt wurde, sind Proben aus reinen Halbleitermaterialien für
Untersuchungen mit dem Luft-RTM nicht tauglich. Es gibt jedoch Halbleiter, die aus
übereinanderliegenden Schichten zweier Atomsorten aufgebaut sind, die durch Van-der-Waals-
Kräfte zusammengehalten werden, z.B. WSe 2 (Wolframdiselenid) und MoS 2 (Molybdändisulfid).
Innerhalb der Schichten bilden alle Valenzorbitale kovalente Bindungen, so daß es
folglich auch an der Oberfläche keine freien Valenzen gibt. Deshalb sind solcherlei Halbleiter
an ihren Grenzflächen stabil und relativ frei von Kontaminationen, also im Luft-RTM
verwendbar.
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