Techniklexikon

Rastertunnelmikroskopie

Laboratoriumsmethoden und -geräte, STM, Scanning Tunneling Microscopy, höchstauflösendes nahfeldmikroskopisches Verfahren zur Untersuchung der elektronischen Struktur von Oberflächen leitender Präparate. In der Rastertunnelmikroskopie wird, wie allgemein in der Rastersondenmikroskopie, eine Tastspitze in unmittelbare Nähe der zu untersuchenden Oberfläche gebracht. Piezoelektrische Stellglieder halten die Tastspitze in einer Entfernung von typischerweise etwa 1 nm über der Probenoberfläche. Auf Grund des Tunneleffekts können Elektronen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit den klassisch verbotenen Bereich der Tunnelbarriere zwischen Spitze und Probe überwinden, wenn die Wellenfunktionen der Leitungselektronen der Spitze und der Probe sich genügend überlappen. Die Wahrscheinlichkeit des Tunnelvorgangs fällt exponentiell mit zunehmeder Breite s der Tunnelbarriere ab. Wenn eine Potentialdifferenz U zwischen Spitze und Probe angelegt wird (typischerweise im Bereich zwischen 1 mV und 4 V), fliesst ein abstandsabhängiger Tunnelstrom I_t. In erster Ordnung Störungstheorie gilt für den Tunnelstrom , wobei  die Wellenfunktionen der am Tunnelvorgang beteiligten Zustände der Tunnelspitze bzw. der Probenoberfläche, c die sog. Abklinglänge und s die Breite der Tunnelbarriere darstellt. Die Abklinglänge hängt ab von der mittleren lokalen Tunnelbarrierenhöhe : .

Die starke Abstandsabhängigkeit des Tunnelstroms ermöglicht unter günstigsten Umständen eine vertikale Auflösung von einem Hunderstel eines Ångströms und eine laterale Auflösung von etwa 1 Å. Die Abbildung der Oberflächentopologie einer leitenden Probe wird erreicht, indem der Tunnelstrom konstant gehalten und der Abstand über die piezoeletrischen Stellglieder nachgeregelt und aufgezeichnet wird (constant current mode). Voraussetzung ist allerdings eine Probe mit einer homogenen Leitfähigkeit. Durch Aufnehmen einer Strom-Spannungs-Kurve an einer festen Position lässt sich die Verteilung der Zustandsdichten der elektronischen Zustände ermitteln, die in Abhängigkeit von der Tunnelspannung angesprochen werden. Hierfür wird die Spitze über die gewünschte Objektstelle gebracht, die Tunnelspannung rampenförmig verändert und der Tunnelstrom als Funktion dargestellt.