STM - Universität zu Köln

83.2 PiezoelementeDie Bewegung des STM, sowohl bei der Annäherung, als auch beim Rastern derSpitze über die Probenoberfläche muss mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen.Verschiebungen im Pikometerbereich müssen in allen drei Raumrichtungen möglichsein. Dies kann nur mit sogenannten Piezoelementen realisiert werden. Bei diesenElementen handelt es sich um nicht-metallische Verbindungen in denen unteräußerem, mechanischen Druck eine elektrische Polarisation entsteht. DiesesPhänomen nennt man Piezo-Effekt. Er wird durch die Verschiebung von Ionenentlang einer nicht inversionssymmetrischen Kristallachse verursacht. Beim inversenPiezo-Effekt verformt sich ein Kristall durch Anlegen einer elektrischen Spannung.Diese Verformung hängt näherungsweise linear von der angelegten Spannung abund ermöglicht die in der Rastertunnelmikroskopie benötigte Präzision bei derrelativen Bewegung von Messspitze und Probe.3.3 AnnäherungDie Annäherung von STM-Spitze und Probe erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wirdder Probenhalter von Hand verschoben, bis die Probenoberfläche und die Spitzenoch etwa 1 mm voneinander entfernt sind. Im nächsten Schritt wird derProbenhalter durch das an den hinteren Berührungspunkten befindlichePiezoelement weiter an die Spitze angenähert. Dies funktioniert folgendermaßen: Andas Piezoelement wird eine sägezahnförmige Spannung angelegt. D.h. dieSpannung steigt zunächst linear an, das Piezoelemt dehnt sich aus und da dieReibung zwischen Probenhalter und den vorderen Berührungspunkten größer ist alsan den hinteren wird er so langsam über die hinteren Berührungspunkte hinweg aufdie Probe zu geschoben. Wenn die Spannung nun ihren Maximalwert erreicht unddanach sofort auf ihren Ausgangswert zurückfällt zieht das Piezoelement sich wiederzusammen. Dies geschieht jedoch so schnell, dass der Probenhalter aufgrund seinerTrägheit nicht folgen kann. Die vorderen Berührungspunkte rutschen sozusagenunter dem Probenhalter hindurch zurück.Durch dieses Verfahren kann die Probe in sehr kleinen Schritten an die Messspitzeangenähert werden und zwar solange, bis die Elektronik einen Tunnelstrom dervorgegeben Größe detektiert. Während des Rasterns über die Probe bewegt sich derProbenhalter nicht mehr, hier werden notwendige Bewegungen in z-Richtung vonden Piezoelementen der Spitze ausgeführt.