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Rastertunnelmikroskopie (STM)

Die 1984 entwickelte Rastertunnelmikroskopie (engl. Scanning Tunneling Microscopy, STM) beruht auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt, der es Elektronen ermöglicht, eine nicht-leitende Barriere zu durchqueren. Dazu kommt es, wenn die Barrierenbreite so gering ist, dass die Wellenfunktion der Elektronen auf einer Seite (Formel (1)) nicht vollständig in der Barriere abklingt und sich damit eine endliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen auf der anderen Seite der Barriere ergibt. Wird eine Spannung zwischen den beiden Seiten angelegt, ergibt sich ein geschlossener Stromkreis, dessen Stromstärke It exponentiell von der Barrieren-Breite, bzw. dem Abstand der beiden leitenden Seiten abhängt (Formel (2)).

Eine Seite des oben dargestellten Prinzips stellt nun üblicherweise die Probe dar, eine leitende Spitze (meist aus Wolfram oder Platin-Iridium) die andere. Wird diese Spitze in Tunnelkontakt gebracht (Abstand ~0.1 nm) und über die Probe gerastert, ergibt sich aus dem Verlauf des Tunnelstroms ein Höhenprofil. Seitlich gezeigt ist der tatsächliche Probenaufbau: Die Wolfram-Spitze wird von unten an die über Kopf hängende Probe per Augenmaß herangeführt. Anschließend wird eine computergesteuerte Fein-Annäherung der Spitze bis auf wenige Zehntel Nanometer an die Probe durchgeführt. Während der anschließenden Abrasterung wird üblicherweise der Tunnelstrom durch eine Feedback-Schleife auf einem konstanten Wert (~0.01-1 nA) gehalten (vgl. Animation). Der Scanner unseres Omicron STM unterstützt Scanbereiche von bis zu 18 x 18 µm².

Durch diese Abrasterung der Oberfläche können anschließend (leitende) Substratoberflächen charakterisiert werden. Als Beispiel ist im Folgenden die Aufnahme einer Gold-Oberfläche mit monoatomaren Stufen und wellenförmiger Rekonstruktion der (111)-Oberfläche gezeigt. Der Höhenhub beträgt 0.2 nm pro Stufe.

Bei hinreichend guter Spitzenqualität und Probenreinheit kann auf manchen Substraten bei Raumtemperatur atomare Auflösung erreicht werden, beispielsweise bei HOPG. Gut zu erkennen ist die Moiré-Überstruktur im linken Bild.

Ebenfalls gut aufzulösen sind auf Metalloberflächen adsorbierte Monolagen von organischen Molekülen, beispielweise Kupfer-Phthalocyanin auf Au(111). Es können einzelne Moleküle identifiziert werden, wie durch das Inset im rechten Bild verdeutlicht ist.