Überblick RTM-Technik: Unterschied zwischen den Versionen

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(Höhe der Spitze konstant)
 
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Das Prinzip hinter dem Rastertunnelmikroskop lässt sich auf vielen externen Seiten gut nachvollziehen. Auf dieser Seite ist ein Auszug aus dem Wikipedia-Artikel dargeboten. Gute Erklärungen finden sich auf folgenden seriösen Seiten:<br>
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Das Prinzip hinter dem Rastertunnelmikroskop lässt sich auf vielen externen Seiten gut nachvollziehen. Auf dieser Seite ist ein Auszug aus dem Wikipedia-Artikel dargeboten. Gute Erklärungen finden sich auf folgenden Seiten:<br>
 
Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Rastertunnelmikroskop<br>
 
Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Rastertunnelmikroskop<br>
 
Spektrum der Wissenschaft: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/rastertunnelmikroskop/12085<br>
 
Spektrum der Wissenschaft: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/rastertunnelmikroskop/12085<br>
 
Welt der Physik: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/analyse-von-materialien/rastersondenmethoden/rastertunnelmikroskopie/
 
Welt der Physik: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/analyse-von-materialien/rastersondenmethoden/rastertunnelmikroskopie/
 
= Überblick =
 
= Überblick =
Bei der rastertunnelmikroskopischen Messung wird eine elektrisch leitende Sonde, in Form einer feinen Spitze, systematisch in einem Raster über das ebenfalls leitende Untersuchungsobjekt gefahren. Der Abstand zwischen Spitze und Objekt ist dabei außerordentlich klein (Nanometer), aber nicht null. Zwischen der Oberfläche und der Spitze wird eine elektrische Spannung angelegt. Aufgrund des Abstandes gibt es aber noch eine [[Potentialbarriere]], die die Elektronen in der klassischen Physik eigentlich nicht überwinden können. Aufgrund des auftretenden [[Tunneleffekt]]es ist dennoch ein kleiner Strom messbar. Dieser ist sehr empfindlich auf kleinste Abstandsänderungen, da die Tunnelwahrscheinlichkeit mit dem Abstand exponentiell abnimmt. Liegt nun auf der Oberfläche eine topographische Erhöhung vor, kann diese durch ein Ansteigen im Tunnelstrom registriert werden. Genau diese Veränderung soll gemessen werden und durch das Abrastern der Probe kann so ein Bild erzeugt werden. <br>
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Bei der rastertunnelmikroskopischen Messung wird eine elektrisch leitende, sehr feine Spitze systematisch in einem Raster über das ebenfalls leitende Untersuchungsobjekt gefahren. Der Abstand zwischen Spitze und Objekt ist dabei außerordentlich klein (im Nanometerbereich), aber nicht null. Zwischen der Oberfläche und der Spitze wird eine elektrische Spannung angelegt. Aufgrund des Abstandes gibt es aber noch eine [[Potentialbarriere]], die die Elektronen in der klassischen Physik eigentlich nicht überwinden können. Aufgrund des auftretenden [[Tunneleffekt]]s ist dennoch ein kleiner Strom messbar. Er entsteht dadurch, dass Elektronen in der Spitze auch eine gewisse Aufenthaltswahrscheinlichkeit in der Probe haben. Sie ist zwar sehr gering, führt aber dazu, dass immer wieder Elektronen die Potentialbarriere durchtunneln können. Dadurch entsteht ein schwacher Strom. Dieser ist sehr empfindlich auf kleinste Abstandsänderungen, da die Tunnelwahrscheinlichkeit mit dem Abstand exponentiell abnimmt. Liegt nun auf der Oberfläche eine Erhöhung vor, kann diese durch ein Ansteigen im Tunnelstrom registriert werden. Genau diese Veränderung wird gemessen und durch das Abrastern der Probe kann so ein Bild des Höhenprofils erzeugt werden. <br>
 
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Kurz gesagt, der Tunnelstrom I<sub>tun</sub> ist abhängig vom Abstand d zwischen Probe und Spitze und der Austrittsarbeit Φ der Elektronen. Die Ortsabhängigkeit des Tunnelstroms suggeriert dabei einen Blick auf die Oberflächentopografie, bildet aber exakterweise die Höhentopografie konstanter Elektronendichte ab. Das heißt, dass strenggenommen das gewonnene Bild der Messung zeigt nicht die tatsächliche Oberflächenstruktur, sondern die elektrische Struktur der Probe darstellt. In erster Näherung lässt sich der Tunnelstrom durch folgende Proportion ausdrücken:  
ÜBERARBEITEN
 
Der Tunneleffekt zwischen zwei Metallen, die durch eine dünne Oxidschicht separiert sind, wurde 1961 von John Bardeen mit Hilfe der zeitabhängigen Störungstheorie erster Ordnung (Fermis Goldene Regel) erklärt. Überträgt man diese Theorie auf die Rastertunnelmikroskopie, so ist eine atomar genaue Kenntnis der Spitze notwendig, um die gemessenen Bilder zu interpretieren. Eine wesentliche Vereinfachung stellt die sogenannte Tersoff-Hamann-Theorie dar, die den Einfluss der Spitze auf die Messung vernachlässigt und Aussagen über die elektronische Struktur der Probe liefert (im Wesentlichen über die lokale elektronische Zustandsdichte im Oberflächenbereich). Kurz gesagt, der Tunnelstrom I<sub>tun</sub> ist abhängig vom Abstand d zwischen Probe und Spitze und der Austrittsarbeit Φ der Elektronen. Die Ortsabhängigkeit des Tunnelstroms spiegelt die Faltung der realen Topographie mit elektronischen Eigenschaften wider. Eine dreidimensionale Auftragung suggeriert dabei einen Blick auf die Oberflächentopografie, bildet aber exakterweise die Höhentopografie konstanter Elektronendichte ab. In erster Näherung lässt sich der Tunnelstrom durch folgende Proportion ausdrücken:  
 
  
 
I<sub>tun</sub> ∝ exp ( − Φ ⋅ d )
 
I<sub>tun</sub> ∝ exp ( − Φ ⋅ d )
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== Tunnelstrom konstant ==
 
== Tunnelstrom konstant ==
Beim Abrastern der Probenoberfläche wird die Höhe der Spitze mittels einer Feinmechanik (mit Hilfe des [[Piezoeffekt]]s) so geregelt, dass der Tunnelstrom konstant bleibt. Damit fährt die Spitze ein „Höhenprofil“ der Oberfläche nach, wobei das Höhen-Regelsignal zur Darstellung der Probenoberfläche benutzt wird. Die Auflösung hängt vom Krümmungsradius der Spitze ab. Idealerweise fließt der Tunnelstrom nur über ein einziges, exponiertes Atom an der Spitze. Die durch konstanten Tunnelstrom gewonnenen Abbildungen entsprechen allerdings nicht zwangsweise der Oberfläche der Materie, vielmehr wird hierbei vorrangig die elektronische Struktur der Oberfläche abgetastet.
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Beim Abrastern der Probenoberfläche wird die Höhe der Spitze mittels einer Feinmechanik (mit Hilfe des [[Piezoeffekt]]s) so geregelt, dass der Tunnelstrom konstant bleibt. Damit fährt die Spitze ein „Höhenprofil“ der Oberfläche nach, wobei das Höhen-Regelsignal zur Darstellung der Probenoberfläche benutzt wird. Die Auflösung hängt vom Krümmungsradius der Spitze ab. Idealerweise fließt der Tunnelstrom nur über ein einziges, exponiertes Atom an der Spitze.
 
 
 
== Höhe der Spitze konstant ==
 
== Höhe der Spitze konstant ==
Ebenso kann auch die Höhe der Spitze konstant gehalten werden, und durch die verschiedenen Entfernungen zur Probenoberfläche und der damit einhergehenden Variation des Tunnelstromes eine Rekonstruktion der Oberfläche aufgezeichnet werden.  
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Ebenso kann auch die Höhe der Spitze konstant gehalten werden, und durch die verschiedenen Entfernungen zur Probenoberfläche und der damit einhergehenden Variation des Tunnelstromes eine Rekonstruktion der Oberfläche aufgezeichnet werden. Damit dabei Probe und Spitze nicht kollidieren oder zu weit auseinander driften, muss bei diesem Messmodus schon konkretere Information über die Probe bestehen, damit ein sinnvoller Abstand gewählt wird.  
  
In unserem Fall wird das RTM im ersten Modus betrieben.
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In unserem Fall wird das RTM mit konstantem Tunnelstrom betrieben.

Aktuelle Version vom 22. Juni 2021, 09:58 Uhr

Das Prinzip hinter dem Rastertunnelmikroskop lässt sich auf vielen externen Seiten gut nachvollziehen. Auf dieser Seite ist ein Auszug aus dem Wikipedia-Artikel dargeboten. Gute Erklärungen finden sich auf folgenden Seiten:
Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Rastertunnelmikroskop
Spektrum der Wissenschaft: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/rastertunnelmikroskop/12085
Welt der Physik: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/analyse-von-materialien/rastersondenmethoden/rastertunnelmikroskopie/

Überblick

Bei der rastertunnelmikroskopischen Messung wird eine elektrisch leitende, sehr feine Spitze systematisch in einem Raster über das ebenfalls leitende Untersuchungsobjekt gefahren. Der Abstand zwischen Spitze und Objekt ist dabei außerordentlich klein (im Nanometerbereich), aber nicht null. Zwischen der Oberfläche und der Spitze wird eine elektrische Spannung angelegt. Aufgrund des Abstandes gibt es aber noch eine Potentialbarriere, die die Elektronen in der klassischen Physik eigentlich nicht überwinden können. Aufgrund des auftretenden Tunneleffekts ist dennoch ein kleiner Strom messbar. Er entsteht dadurch, dass Elektronen in der Spitze auch eine gewisse Aufenthaltswahrscheinlichkeit in der Probe haben. Sie ist zwar sehr gering, führt aber dazu, dass immer wieder Elektronen die Potentialbarriere durchtunneln können. Dadurch entsteht ein schwacher Strom. Dieser ist sehr empfindlich auf kleinste Abstandsänderungen, da die Tunnelwahrscheinlichkeit mit dem Abstand exponentiell abnimmt. Liegt nun auf der Oberfläche eine Erhöhung vor, kann diese durch ein Ansteigen im Tunnelstrom registriert werden. Genau diese Veränderung wird gemessen und durch das Abrastern der Probe kann so ein Bild des Höhenprofils erzeugt werden.
Kurz gesagt, der Tunnelstrom Itun ist abhängig vom Abstand d zwischen Probe und Spitze und der Austrittsarbeit Φ der Elektronen. Die Ortsabhängigkeit des Tunnelstroms suggeriert dabei einen Blick auf die Oberflächentopografie, bildet aber exakterweise die Höhentopografie konstanter Elektronendichte ab. Das heißt, dass strenggenommen das gewonnene Bild der Messung zeigt nicht die tatsächliche Oberflächenstruktur, sondern die elektrische Struktur der Probe darstellt. In erster Näherung lässt sich der Tunnelstrom durch folgende Proportion ausdrücken:

Itun ∝ exp ( − Φ ⋅ d )

Messmodi

Prinzipiell kann mit dem Rastertunnel-Effekt das RTM in den folgenden zwei Modi betrieben werden:

Tunnelstrom konstant

Beim Abrastern der Probenoberfläche wird die Höhe der Spitze mittels einer Feinmechanik (mit Hilfe des Piezoeffekts) so geregelt, dass der Tunnelstrom konstant bleibt. Damit fährt die Spitze ein „Höhenprofil“ der Oberfläche nach, wobei das Höhen-Regelsignal zur Darstellung der Probenoberfläche benutzt wird. Die Auflösung hängt vom Krümmungsradius der Spitze ab. Idealerweise fließt der Tunnelstrom nur über ein einziges, exponiertes Atom an der Spitze.

Höhe der Spitze konstant

Ebenso kann auch die Höhe der Spitze konstant gehalten werden, und durch die verschiedenen Entfernungen zur Probenoberfläche und der damit einhergehenden Variation des Tunnelstromes eine Rekonstruktion der Oberfläche aufgezeichnet werden. Damit dabei Probe und Spitze nicht kollidieren oder zu weit auseinander driften, muss bei diesem Messmodus schon konkretere Information über die Probe bestehen, damit ein sinnvoller Abstand gewählt wird.

In unserem Fall wird das RTM mit konstantem Tunnelstrom betrieben.