Überblick RTM-Technik

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:
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 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 nicht überwinden können. Aufgrund des auftretenden Tunneleffektes 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 zweidimensionales Bild erzeugt werden.
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_tun 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 Gleichung asudrücken:

I_tun ∝ exp ( − Φ ⋅ d )

Messmodi

Das RTM kann z. B. in den folgenden zwei Modi betrieben werden:

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 laterale 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. Vielmehr wird hierbei vorrangig die elektronische Struktur der Oberfläche abgetastet.

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. Letztere Methode reagiert empfindlicher auf elektronische Oberflächeneffekte als auf geometrische, und durch den Vergleich beider Bilder kann die Abweichung von Topographie zur Elektronenstruktur abgeschätzt werden.