3 Auger-Elektronenspektroskopie (AES) - KOPS - Universität Konstanz

2 Experimentelle Grundlagen
len mechanischen Aufbau kaum mehr Relativschwingungen
angeregt.
In unserem Fall wird für STM-
Aufnahmen die gesamte UHV-Anlage auf
Luftfüsse gestellt. Diese Aufhängung ist
zwar einfacher als eine interne magnetische
Entkopplung, macht aber jede anderweitige
Benutzung der Anlage während der STM-
Untersuchungen unmöglich.
Piezokristalle sind von Natur aus nicht
ideal. Sie haben eine Hysterese, ihre Bewegungen
sind nichtlinear, und sie driften zeitlich.
Auf kleinen Skalen können aber sowohl
Hysterese und Nichtlinearität vernachlässigt
werden, Drift fällt über den Zeitraum
einer Aufnahme nicht sehr ins Gewicht.
Ein Problem ergibt sich gelegentlich
nach dem ” Zurückschnappen“ zwischen zwei
Raster-Durchläufen, da nach der schnellen
Bewegung der Piezo noch etwas driften kann.
Probleme mit der Elektronik gehörten
tatsächlich zu den Hauptschwierigkeiten dieser
Arbeit.
Um die erforderliche Genauigkeit in der
Strommessung zu erreichen, verwendet man
einen hochempfindlichen Vorverstärker, der
sich so nahe wie möglich am eigentlichen
STM-Kopf befinden muß, da er bei einem
Verstärkungsfaktor von 10 8 -10 10 auf kleinste
Störungen empfindlich ist. Zum Beispiel hat
es sich als hilfreich erwiesen, die Schrittmotorsteuerung
des Hauptmanipulators während
STM-Untersuchungen abzuschalten.
Das verwendete UHV-300 von RHK ist
ein sogennantes ” Walker“-STM, das bedeutet,
der Kopf mit dem eigentlichen Piezo-
Scanner steht mit drei Piezofüßen auf einer
dreiteiligen Schraubenrampe über der Probe.
Über die Piezobeine ist eine Bewegung im
” slip-stick“-Modus möglich. Der Kopf kann
dadurch sowohl angenähert und zurückgezogen,
als auch lateral verfahren werden. Dies
ergibt größere Freiheit bei der Auswahl des
zu untersuchenden Bereichs, sowie besserer
thermischer Stabilität (das UHV-300 erlaubt
im Prinzip Untersuchungen zwischen 100 und
500 K, in Extremfällen auch bis 1000 K).
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Wechselwirkung
Die Wechselwirkung zwischen Sonde und
Probe ist im STM durch den Tunnelstrom
gegeben. Der Tunnelprozeß ist verwandt mit
der Feldemission (Tunneln ins Vakuum), daher
ist die Beziehung für den Tunnelstrom
der Fowler-Nordheim-Gleichung für die Feldemission
sehr ähnlich:
IT ≈ Ae 2
�
2me
h2 � � �
UT √ 2me√
Φexp −2 Φs
s
�
(2.4)
Dabei ist A der Querschnitt des Tunnelstroms,
Φ das mittlere Austrittspotential von
Spitze und Oberfläche und s der Tunnelabstand.
Wie man sieht, fällt der Tunnelstrom im
wesentlichen exponentiell mit der Höhe der
Spitze über der Oberfläche ab.
Das hat zwei Konsequenzen: Für atomar
glatte Oberflächen wird an die Qualität der
Spitze keine besonderen Anforderungen gestellt.
Sie muß ein letztes Atom haben, und
von diesem aus wird der Tunnelstrom fließen.
Außerdem kann es sich hier empfehlen, den
Regelkreis nur schwach rückkoppeln zu lassen,
so dass die Spitze sich mehr oder minder
in konstanter Höhe bewegt. Das Stromsignal
gibt dann einen viel größeren – weil exponentiellen
– Höhenkontrast (constant-height
mode).
Für die Abbildung von Inselstrukturen
ist das aber nicht möglich. Man erhält als
Bild eine Faltung der Spitzenform mit der
Oberflächentopographie. Das heißt, zur Abbildung
von Strukturen im Bereich von einigen
Nanometern sind bessere Spitzen erforderlich
als zur Abbildung einzelner Atome
auf einer Graphitfläche.
Des Weiteren ist Tunneln im constantheight-Modus
nicht möglich, da die geringe
Wirkung des Regelkreises zu Spitzenkollisionen
führen würde. Man regelt daher auf
möglichst konstanten Strom (constant cur-