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)

Spitzenpräparation

Elektro-chemisches

Ätzen

Spitzenpräparation

Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)

Geätzte

Wolframspitze

Präparation im Vakuum:

•Ätzen durch Ionenbeschuss

•Feldemission durch Anlegen hoher Spannungen

•Sanfte Berührungen der Probenoberfläche

Spitzenpräparation

Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)

Geätzte

Wolframspitze

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

Pro

be 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 – 116

Englisch: 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.html

Schüler-RTM http://sxm4.uni-muenster.de/ http://www.muenster.org/annette/aktuelles.htm