Scanning Tunneling Microscopy
Messprinzip
Das Messprinzip des STM beruht auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt. Eine dünne Metallspitze und eine elektrisch leitfähige Probe werden einander bis auf ca. 3 bis 10 Å angenähert, so dass die Wellenfunktionen der Spitze mit denen der Probe überlappen können. Idealerweise wird die Spitze von einem einzelnen Atom gebildet. Nach dem Anlegen einer Spannung U (Größenordnung: einige V) misst man einen exponentiell vom Abstand d abhängigen Strom I (Größenordnung: nA) tunnelnder Elektronen. In einer einfachen Abschätzung lässt sich dieser Strom I wie folgt beschreiben:
I(d) ~ exp(-A*√Phi*d)
Dabei ist A ≈ 1 / (Å * √eV) eine Konstante und Phi steht für die Barrierenhöhe des Tunnelkontakts, die der gemittelten Austrittsarbeit (nur in dieser Näherung) von Spitze und Probe entspricht. Der Tunnelstrom I wird hauptsächlich von Elektronen nahe der Fermikante EF verursacht, für die die effektive Barrierenhöhe am geringsten ist. Die im Idealfall mono-atomare Spitze wird mit Hilfe von piezokeramischen Stellgliedern zeilenweise über die Probe bewegt. Dabei kann über einen Regelkreis die Wechselwirkungsgröße konstant gehalten werden. Die Stellgröße des Regelkreises, dargestellt in Abhängigkeit der x- und y-Position der Sonde, gibt ein Konturbild konstanter Wechselwirkungsgröße wieder. Für homogene Proben gibt dies in guter Nährung die tatsächliche Topographie wieder. Um die schnelle Verschmutzung der Oberfläche zu verhindern, werden die meisten Messungen im Vakuum durchgeführt.
Der Regelkreis
Um den Abstand der Tunnelspitze zur Probenoberfläche konstant zu halten, wird der Tunnelstrom I durch einen elektronischen Regelkreis konstant gehalten. Der Regelkreis misst den momentanen Tunnelstrom I (Ist-Wert) und vergleicht ihn mit dem vorher eingestellten Wert (Soll-Wert). Weichen diese voneinander ab, versucht der Regler über seinen Ausgang (Stellwert) die Differenz zu eliminieren. Die Änderungsvorgaben werden über die Piezoelemente, die die Tunnelspitze in die drei Raumrichtungen bewegen können, übertragen. Die Reglereinstellungen hängen dabei vom gesamten System ab und lassen sich deshalb nicht beliebig hoch einstellen. Außerdem stellt der Regelkreis an sich schon ein schwingungsfähiges System mit einer Grenzfrequenz dar, oberhalb derer es zu Eigenschwingungen kommt. Diese Eigenschwingungen können Spitze und Probe beschädigen. Die Rastergeschwindigkeit kann die Qualität des STM-Bildes sehr stark beeinflussen. Eine zu hohe Geschwindigkeit verschlechtert meistens das Bild. Man muss auch bedenken, dass die Regelgeschwindigkeit eng mit der Rastergeschwindigkeit gekoppelt ist.
Die Tunnelspitze
Die verwendeten Tunnelspitzen haben gemäß elektronenmikroskopischer Aufnahmen Krümmungsradien von einigen 10 nm. Da am STM aber atomare Auflösung erzielt werden kann, lässt sich dies nur durch das Vorhandensein von sogenannten Minispitzen erklären. Das bedeutet, dass fast der gesamte Tunnelstrom nur über die zur Probe nächstliegende Minispitze fließt. Die Anordnung dieser Minispitzen auf der Tunnelspitze ist aber keineswegs stabil, sondern kann sich im Laufe der Messungen ändern. Dies kann sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf die Auflösung und die generelle Qualität der Bilder haben. Die Tunnelspitzen werden meist aus Wolfram (Ätzen eines Drahtstückes) oder eine Platin-Iridium-Legierung (Abreissen eines Drahtstückes) hergestellt.
Für weiterführende Informationen siehe hier.