Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenM31: Rastertunnel mikroskopie (RTM / STM)M31: Rastertunnelmikroskopie(RTM / STM)Im Rastertunnelmikroskop (RTM, oder engl.Scanning Tunneling Microscope, STM) wird dasabzubildende Objekt auf einer Oberfläche mit einerfeinen Metallspitze abgetastet (Abb. 1). Wird dieSpitze nahe, d.h. in den Abstand ≤ 1 nm, an dieProbe gebracht und wird eine kleine Spannung(einige Millivolt bis Volt) zwischen der Spitze undder Probe angelegt, so fließt ein kleiner Strom.Dieser Strom (typisch einige Nanoampère) wirdTunnelstrom genannt, da er auf Grund des quantenmechanischenTunneleffekts entsteht. Die enormevertikale (und auch laterale) Auflösung des RTMsist dadurch erklärbar, dass der Tunnelstrom exponentiellvom Abstand zwischen Probe und Spitzeabhängt: Wenn der Abstand um 0,1 nm verändertwird, verändert sich der Tunnelstrom um das 10-fache. Der Tunnelstrom kann als Regelgröße imRTM verwendet werden, wobei er in einem Rückkopplungskreisvon der Steuerelektronik durchVeränderung des Abstandes zwischen Spitze undProbe konstant gehalten wird. Auf diese Weisewerden Höhenänderungen an der Oberfläche inHöhenänderungen der Abtastspitze über der Probeumgesetzt. Wird die Spitze mit Hilfe eines Piezoelementesrasterförmig über die Oberfläche bewegtund der Abstand Spitze-Probe als Funktion derPosition aufgezeichnet, so entsteht ein Abbild derOberflächentopographie, die mit atomarer Auflösungdargestellt werden kann.die Änderung des Tunnelstromes gemessen wird.In der Regel findet der „Konstant-Strom-Modus“Anwendung. Hier wird die Spitze an jeder lateralenPosition auf einen konstanten Tunnelstromeingestellt. Als Messwert dient der Abstand, umden sich die Spitze an die Probe annähern odervon ihr entfernen muss, um den Tunnelstrom konstantzu halten. Eine weitere Meßmethode ist der„Spektroskopie-Modus“. Bei dieser Betriebsartwird an jedem lateralen Messpunkt die Variationdes Tunnelstroms mit der angelegten Spannungaufgezeichnet (Strom-Spannungs-Kennlinie). DerSpektroskopie-Modus ermöglicht die Messung derlokalen elektronischen Eigenschaften einer Probe,d.h. die Bestimmung der elektronischen Strukturbis auf atomares Niveau.Bei Rastertunnelmikroskopen können dreiverschiedene Messmodi unterschieden werden:Beim „Konstant-Höhen-Modus“ rastert die Spitzein konstanter Höhe über eine Probe, währendAbbildung 1:Schematische Darstellung der Funktionsweiseeines Rastertunnelmikroskops.82Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005