Raster-Tunnel-Mikroskopie - FakultÃ¤t fÃ¼r Physik

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(iii) Stichworte und allgemeine Literatur zum Versuch In der folgenden Aufzählung sind Stichworte genannt, die für das Verständnis der Funktionsweise des Raster-Tunnel-Mikroskops (RTM) wesentlich sind. Da diese Begriffe im laufenden Text als bekannt vorausgesetzt werden, lohnt es sich, die unten aufgeführte Literatur zu bemühen, um eventuelle Wissenslücken zu schließen. Stichworte: Literaturangaben: ‘Adsorption’ ‘Austrittsarbeit’ ‘Elektronische Bänder in Festkörpern’ ‘Feldemission’ ‘Fermi-Dirac-Verteilung’ ‘Fermi-Energie’ ‘Fermi’s Goldene Regel der Quantenmechanik’ ‘Kristallorientierungen’ ‘Oberflächendiffusion’ ‘Piezoelektrischer Effekt; Piezomaterialien’ ‘Tunneleffekt’ ‘Tunnelprozeß im eindimensionalen Potentialtopfmodell’ ‘Zustandsdichte’ • T. Mayer-Kuckuk, Atomphysik, Teubner 1985 • Haken - Wolf, Atom- und Quantenphysik, Springer 1990 • Ibach - Lüth, Festkörperphysik, Springer 1990 • K. Kopitzky, Einführung in die Festkörperphysik, Teubner 1993 • C. Kittel, Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg 1989 • J.J. Sakurai, Modern Quantum Mechanics, Addison-Wesley 1985 • C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë, Quantum Mechanics, Band 1 und 2, Wiley-Interscience 1977 • J. Hölzl, F. K. Schulte, H. Wagner, Solid Surface Physics, Springer 1979 6
1 Einleitung Es war schon verwegen von G. Binnig und H. Rohrer vom IBM Forschungslabor in Zürich im Jahre 1980 einfach das auszuprobieren, was viele ihrer Kollegen von vorneherein zum Scheitern verurteilt hatten. Ihre Idee sah im Prinzip so aus, daß sie mit einer extrem feinen Nadel in sehr geringem Abstand eine leitende Oberfläche abrastern wollten, um diese in höchster Auflösung abzubilden. Die physikalische Grundlage dafür bildete der Tunneleffekt, der rein theoretisch exponentiell vom Abstand zwischen Nadel und Probenoberfläche abhängt. Die technischen Hilfsmittel für die erforderliche exakte Steuerung dieser Tunnelspitze bis auf Ångstroem genau waren zu dieser Zeit in Form von Piezokeramiken schon längst bekannt. Jedoch war die Meinung, daß der Abstand von wenigen Ångstroem zwischen Spitze und Probe niemals stabil gehalten werden könne, zur damaligen Zeit weit verbreitet. Da es außerdem technisch nicht möglich war, atomar feine Spitzen herzustellen, schien das Ziel der atomaren Auflösung ungreifbar in die Ferne gerückt. Binnig und Rohrer bewiesen das Gegenteil, spätestens als sie 1982 atomar aufgelöste Raster-Tunnel-Mikroskop (RTM)-Bilder vorweisen konnten. Bei den ersten Geräten wurde ein enormer Aufwand getrieben, um äußere Schwingungen abzudämpfen: Eine supraleitende Bleischale, auf der sich das RTM befand, wurde im Magnetfeld zum Schweben gebracht. Ferner befand sich die ganze Apparatur im Ultrahochvakuum (UHV), damit jegliche Bedeckung der Proben- und Spitzenoberfläche mit Fremdatomen so gut wie ausgeschlossen werden konnte. Der thermischen Drift, der zweifellos jedes Gerät unterworfen ist, begegnete man, indem die RTM-Messungen nur bei tiefen Temperaturen durchgeführt wurden ([1]). Bald schon stellte sich heraus, daß selbst unter weit widrigeren Bedingungen hochaufgelöste Bilder mit dem RTM aufgenommen werden können. Und man führe sich die Vorteile dieses Gerätes vor Augen: Die erhaltenen Bilder sind direkte Abbildungen der Probenoberfläche im momentanen Zustand, einzelne Atome, Moleküle und Stufen sowie chemische und physikalische Prozesse wie Oberflächendiffusion, Adsorption und Desorption sind beobachtbar. Weiterhin bleibt die untersuchte Oberfläche nahezu unverändert, da die tunnelnden Elektronen nur Energien im 100meV-Bereich besitzen. Ferner bietet sich die Möglichkeit der Oberflächenmanipulation im Nanometerbereich, indem mittels gezielter Spannungspulse Löcher bzw. Gräben produziert oder Atome versetzt werden können. Schließlich ist noch zu bemerken, daß das RTM im Vakuum, an Luft und in den verschiedensten Flüssigkeiten betrieben werden kann ([3]). Es verwundert deshalb nicht, daß das RTM binnen kürzester Zeit in allen Wissenschaftszweigen boomte, die sich mit Oberflächen und mikroskopischen Prozessen beschäftigen. Der vorliegende Praktikumsversuch wurde eingerichtet, um den Studenten des Studienganges Physik die Möglichkeit zu geben, sich mit in der aktuellen Forschung benutzten Geräten praxisnah auseinanderzusetzen. Denn nur in der Anwendung lernt man die Vorzüge und vor allem die Grenzen einer solchen Apparatur kennen - Grenzen, deren Kenntnis eine gewisse Kritikfähigkeit gegenüber den erhaltenen Daten lehrt. 7
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