m ikroskopie bei atomarer auflösung
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Mikroskopie bei atomarer AuflösungM. Krause – Lehrstuhl für Festkörperphysik
Gliederung:
• Historische Entwicklung der Mikroskopie• Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)• Einsatzgebiet des RTM am Lehrstuhl für Festkörperphysik• Weitere Anwendungmöglichkeiten des RTM• Ausblick, Literatur
Historische Entwicklung der Mikroskopie
• Lichtmikroskop
Begrenzung der Auflösung durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts
Historische Entwicklung der Mikroskopie
• Lichtmikroskop• Elektronenmikroskop
Ernst Ruska 1933
Historische Entwicklung der MikroskopieHistorische Entwicklung der Mikroskopie
Erstmals Abbildung einzelner Atome 1955.Beschränkung auf die Untersuchung sehr dünner Spitzen ausgewählter Materialien!
Erwin Wilhelm Müller, 1951
• Lichtmikroskop• Elektronenmikroskop • Feldionenmikroskop
Historische Entwicklung der Mikroskopie
Russel Young 1971
• Lichtmikroskop• Elektronenmikroskop • Feldionenmikroskop• Topografiner
Historische Entwicklung der Mikroskopie
• Lichtmikroskop• Elektronenmikroskop • Feldionenmikroskop• Topografiner• Rastertunnelmikroskop (1981)
Gerd Binnig Heinrich Rohrer
Nobelpreis 1986 zusammen mit
Ernst Ruska (Elektronenmikroskop)
Atomare Auflösung auf Metall- und Halbleiter-
Oberflächen
Historische Entwicklung der Mikroskopie
• Lichtmikroskop• Elektronenmikroskop • Feldionenmikroskop• Topografiner• Rastertunnelmikroskop• Rasterkraftmikroskop
Atomare Auflösung auch auf
nichtleitenden Materialien möglich
Gliederung:
• Historische Entwicklung der Mikroskopie• Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)• Einsatzgebiet des RTM am Lehrstuhl für Festkörperphysik• Weitere Anwendungmöglichkeiten des RTM• Ausblick, Literatur
Klassische Mechanik
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
Annäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt
TunneleffektLogarithmische Abstandsab-hängigkeit des Tunnelstroms!
Wie entsteht der Tunnelstrom?
QuantenmechanikTunnel-effekt!
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
~ 0.1 - 3 V
Wie kann eine so exate Positionierung erreicht werden?
Annäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt
TunneleffektLogarithmische Abstandsab-hängigkeit des Tunnelstroms!
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
~ 0.1 - 3 V
Piezoelektrischer Effekt: Piezoelektrische Kristalle können durch Anlegen einer elektrischen Spannung verkürzt oder verlängert werden!
Annäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt
Tunneleffekt
SpitzeTunnelstromOberfläche
Piezo- Elemente
Tripod:
Logarithmische Abstandsab-hängigkeit des Tunnelstroms!
Laus:Probe
Piezoelektrische Platte
Grobannäherung:
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
~ 0.1 - 3 V
Piezoelektrischer Effekt: Piezoelektrische Kristalle können durch Anlegen einer elektrischen Spannung verkürzt oder verlängert werden!
Annäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt
Tunneleffekt
Röhrenscanner:
Elek-troden
Logarithmische Abstandsab-hängigkeit des Tunnelstroms!
Beetle:Grobannäherung:
Probe
Spitze
Rampen
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
~ 0.1 - 3 V
Experimentelle Anforderungen:
• Exakte Positionierung (Grob- und Feinannäherung)
• Möglichst rauscharme Messung sehr geringer Ströme (~ nA). Aufwendige Elektronik sowie Software für Datenaufnahme.
• Aufwendige mehrstufige Schwingungsdämpfung (Wirbelstromdämpfung, Pneumatische Schwingungsisolation, Federn, ...)
TunneleffektAnnäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt
Logarithmische Abstandsab-hängigkeit des Tunnelstroms!
Das RTM kann in verschiedenen Messmodi betrieben werden
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
Konstant-Strom-Modus Konstant-Höhen-Modus
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
SpitzenpräparationElektro-
chemisches Ätzen
Spitzenpräparation
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
GeätzteWolframspitze
Präparation im Vakuum:•Ätzen durch Ionenbeschuss•Feldemission durch Anlegen hoher Spannungen•Sanfte Berührungen der Probenoberfläche
Spitzenpräparation
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
GeätzteWolframspitze
Abbildungsqualität in Abhängigkeit der Spitzenform
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
„Was sieht man
eigentlich mit dem RTM?“
„FOTOS von ATOMEN?“
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
„Was sieht man eigentlich mit dem RTM?“Elektronen tunneln von besetzten Zuständen der Probe in unbesetzte Zustände der Spitze(bei umgekehrter Polungentsprechend umgekehrt)
Man “sieht”räumlich / energetischeElektronenverteilung(”Elektronensee”)
+-
I V E eV E M dS
eV
F T F( ) ( ) ( ) 0
2
AUSSERDEM:Matrixelement muss berücksichtigt werden, d.h. es gehen auch die Eigenschaften der beteiligten Wellenfunktionen ein.
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)
Gliederung:
• Historische Entwicklung der Mikroskopie• Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)• Einsatzgebiet des RTM am Lehrstuhl für Festkörperphysik• Weitere Anwendungmöglichkeiten des RTM• Ausblick, Literatur
Lehrstuhl für FestkörperphysikUniversität Erlangen-Nürnberg
Warum ist Oberflächenphysik interessant?
Oberflächenphysik
• Jeder Körper hat eine Oberfläche (Sie ist die Schnittstelle zwischen Innen und Außen)• Alle Wechselwirkungen mit der Umwelt werden
durch die Oberfläche bestimmt oder vermittelt.
Bindungen wurden durchtrennt:Oberfläche ist nicht mehr imenergetisch tiefsten Zustand!
Was macht die Oberfläche?
Die Oberfläche sucht sich ein neues Minimum durchÄnderung der geometrischen und elektronischen Struktur: REKONSTRUKTION
(100)-Oberflächenvon Pt, Ir und Au
Elektronenbeugung an Oberflächen
typische Elektronenenergie E = 150 eV(Low Energy Electron Diffraction LEED)• geringe Eindringtiefe• oberflächenempfindlich• = 0.1 nm
Prob
e
e -Q u e lle
•Die Intensitäten tragen die Information über die Anordnung der Atome in der EZ.•Berechnung der Intensitäten mittels volldyn. Theorie für wahrscheinliche Strukturmodelle (trial-and-error).•Genauigkeit: 1/100 Atomdurchmesser
Rastertunnelmikroskopie dient uns...
• als mächtiges Instrument zur Erleichterung der Modellfindung für LEED – Strukturanalysen• zur direkten Beobachtung der Morphologie (d.h. Rauhigkeit) und atomaren Struktur der obersten Lage bei Wachtumsexperimenten
Eisen/Silizium Grenzflächen und Eisensilizidbildung
3 m x 3 m 0,05 Lagen Fe auf SiAnfangszustände des Wachtums von Eisen auf Silizium
U = - 1.9 V
U = + 1.9 V
Eisen/Silizium Grenzflächen und Eisensilizidbildung
3 Lagen Eisen auf Silizium bei 600°C geheizt1.5 Lagen Eisen auf Silizium bei 600°C geheizt
Gliederung:
• Historische Entwicklung der Mikroskopie• Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)• Einsatzgebiet des RTM am Lehrstuhl für Festkörperphysik• Weitere Anwendungmöglichkeiten des RTM• Ausblick, Literatur
Konstant-Höhen-Modus
Schnelles Rastern!
Dynamische Prozesse auf der Oberfläche direkt beobachtbar mit einer Frequenz von bis zu 60 Hz
Sauerstoff auf Ruthenium(FHI-Berlin)
Für viele oberflächenspezifische Prozesse reicht diese zeitliche Auflösung bei weitem nicht aus und andere Methoden müssen
herangezogen werden.
RTM bei variabler Temperatur (VT-RTM)
• Temperaturänderungen bewirken häufig Übergänge zwischen verschiedenen Oberflächenphasen, diese Übergänge können somit direkt beobachtet werden
• Bei sehr tiefen Temperaturen bewegen sich Atome auf Oberflächen praktisch nicht mehr. Verschiebt man mit der Tunnelspitze solche Atome „gewaltsam“, kann man deren Anordnung fast beliebig beeinflussen.
Datenspeicherung mit RTM
Mögliche Speicherdichte:Platz pro Atom auf der Oberfläche:0.1nm2 würde für 1 bit reichen0.1nm2 = 10-15 cm2 1015 bit/cm2
Damit wäre die Kapazität einer CD-Fläche: 108 Gbit
Zum Vergleich hat eine Enzyklopädie120 Buchst./Zeile x 120 Zeilen/Seite x 30000 Seiten = 4 x 108 Buchst.Also etwa 2 Gbit (1 Buchst = 5 bit)
„Nanoman“
Fullerene - Nanoröhrchen
C60Fulleren
NanoröhrchenAlle chemischen Bindungen abgesättigt hohe Stabilität
Kroto, Smalley, CurlNobelpreis 1996
Erstaunliche Eigenschaften:• sehr leicht (nur aus oberfläche bestehend)• härter als Stahl • mit sehr hoher Leitfähigkeit herstellbar•.....
Ein-Elektronen-TransistorPhysikalische Blätter (Sept. 2001)
Gold
Gold
Nanoröhrchen
Umschalten zwischen Strom „an“ und Strom „aus“ durch ein einziges Elektron möglich
(Cees Dekker TU Delft)
Knicke durch Raster-kraft- mikroskop
[Science, 293, 76 (2001)]
Nanoröhrchen zum mirkoskopischen Transport
Literatur:Deutsch: Jochen Fricke: Das Tunnel-Mikroskop. Physik in unserer Zeit, Heft 4, 1982 S. 123 Jochen Fricke: Erfindung des Tunnel-Mikroskops. Physik in unserer Zeit, Heft 6,
1986 S. 189 - 191 Jürgen Rink: Meisterhafte Kleinarbeit. Nanotechnologie - die industrielle
Revolution des 21. Jahrhunderts? c't 1998, Heft 21, S. 104 – 116Englisch: C.J. Chen, Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Oxford University
Press, New York, 1993. H.J.Güntherodt, R. Wiesendanger, Scanning Tunneling Microscopy I-III, Springer
Verlag, Berlin, 1991. J.A. Stroscio, W.J. Kaiser, Scanning Tunneling Microscopy, Academic Press, San
Diego, 1993. C. Bai, Scanning Tunneling Microscopy and its Application, Springer Verlag,
Berlin, 1992. R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge
University Press, 1994 http://www.fkp.uni-erlangen.de/methoden/stmtutor/stmpage.htmlSchüler-RTM http://sxm4.uni-muenster.de/ http://www.muenster.org/annette/aktuelles.htm
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