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Mikroskopie bei atomarer Auflösung M. Krause – Lehrstuhl für Festkörperphysik.

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Präsentation zum Thema: "Mikroskopie bei atomarer Auflösung M. Krause – Lehrstuhl für Festkörperphysik."—  Präsentation transkript:

1 Mikroskopie bei atomarer Auflösung M. Krause – Lehrstuhl für Festkörperphysik

2 Gliederung: Historische Entwicklung der Mikroskopie Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Einsatzgebiet des RTM am Lehrstuhl für Festkörperphysik Weitere Anwendungmöglichkeiten des RTM Ausblick, Literatur

3 Historische Entwicklung der Mikroskopie Lichtmikroskop Begrenzung der Auflösung durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts

4 Historische Entwicklung der Mikroskopie Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Ernst Ruska 1933

5 Historische Entwicklung der Mikroskopie Erstmals Abbildung einzelner Atome Beschränkung auf die Untersuchung sehr dünner Spitzen ausgewählter Materialien! Erwin Wilhelm Müller, 1951 Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Feldionenmikroskop

6 Historische Entwicklung der Mikroskopie Russel Young 1971 Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Feldionenmikroskop Topografiner

7 Historische Entwicklung der Mikroskopie Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Feldionenmikroskop Topografiner Rastertunnelmikroskop (1981) Gerd BinnigHeinrich Rohrer Nobelpreis 1986 zusammen mit Ernst Ruska (Elektronenmikroskop) Atomare Auflösung auf Metall- und Halbleiter- Oberflächen

8 Historische Entwicklung der Mikroskopie Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Feldionenmikroskop Topografiner Rastertunnelmikroskop Rasterkraftmikroskop Atomare Auflösung auch auf nichtleitenden Materialien möglich

9 Gliederung: Historische Entwicklung der Mikroskopie Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Einsatzgebiet des RTM am Lehrstuhl für Festkörperphysik Weitere Anwendungmöglichkeiten des RTM Ausblick, Literatur

10 Klassische Mechanik Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Annäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt Tunneleffekt Logarithmische Abstandsab- hängigkeit des Tunnelstroms! Wie entsteht der Tunnelstrom? Quantenmechanik Tunnel- effekt!

11 Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) ~ 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 Tunneleffekt Logarithmische Abstandsab- hängigkeit des Tunnelstroms!

12 Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) ~ 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 Spitze Tunnelstrom Oberfläche Piezo- Elemente Tripod: Logarithmische Abstandsab- hängigkeit des Tunnelstroms! Laus: Probe Piezoelektrische Platte Grobannäherung:

13 Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) ~ 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

14 Rampen Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) ~ 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,...) Tunneleffekt Annäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt Logarithmische Abstandsab- hängigkeit des Tunnelstroms!

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16 Das RTM kann in verschiedenen Messmodi betrieben werden Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Konstant-Strom-ModusKonstant-Höhen-Modus

17 Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Spitzenpräparation Elektro- chemisches Ätzen

18 Spitzenpräparation Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Geätzte Wolframspitze

19 Präparation im Vakuum: Ätzen durch Ionenbeschuss Feldemission durch Anlegen hoher Spannungen Sanfte Berührungen der Probenoberfläche Spitzenpräparation Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Geätzte Wolframspitze

20 Abbildungsqualität in Abhängigkeit der Spitzenform Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)

21 Was sieht man eigentlich mit dem RTM? FOTOS von ATOMEN? Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)

22 Was sieht man eigentlich mit dem RTM? Elektronen tunneln von besetzten Zuständen der Probe in unbesetzte Zustände der Spitze (bei umgekehrter Polung entsprechend umgekehrt) Man sieht räumlich / energetische Elektronenverteilung (Elektronensee) AUSSERDEM: Matrixelement muss berücksichtigt werden, d.h. es gehen auch die Eigenschaften der beteiligten Wellenfunktionen ein. Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM)

23 Gliederung: Historische Entwicklung der Mikroskopie Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Einsatzgebiet des RTM am Lehrstuhl für Festkörperphysik Weitere Anwendungmöglichkeiten des RTM Ausblick, Literatur

24 Lehrstuhl für Festkörperphysik Universität 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.

25 Bindungen wurden durchtrennt: Oberfläche ist nicht mehr im energetisch tiefsten Zustand! Was macht die Oberfläche? Die Oberfläche sucht sich ein neues Minimum durch Änderung der geometrischen und elektronischen Struktur: REKONSTRUKTION (100)-Oberflächen von Pt, Ir und Au

26 Elektronenbeugung an Oberflächen typische Elektronenenergie E = 150 eV (Low Energy Electron Diffraction LEED) geringe Eindringtiefe oberflächenempfindlich = 0.1 nm 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

27 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

28 Eisen/Silizium Grenzflächen und Eisensilizidbildung 3 m x 3 m 0,05 Lagen Fe auf Si Anfangszustände des Wachtums von Eisen auf Silizium U = V U = V

29 Eisen/Silizium Grenzflächen und Eisensilizidbildung 3 Lagen Eisen auf Silizium bei 600°C geheizt 1.5 Lagen Eisen auf Silizium bei 600°C geheizt

30 Gliederung: Historische Entwicklung der Mikroskopie Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Einsatzgebiet des RTM am Lehrstuhl für Festkörperphysik Weitere Anwendungmöglichkeiten des RTM Ausblick, Literatur

31 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.

32 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.

33 Datenspeicherung mit RTM Mögliche Speicherdichte: Platz pro Atom auf der Oberfläche: 0.1nm 2 würde für 1 bit reichen 0.1nm 2 = cm bit/cm 2 Damit wäre die Kapazität einer CD-Fläche: 10 8 Gbit Zum Vergleich hat eine Enzyklopädie 120 Buchst./Zeile x 120 Zeilen/Seite x Seiten = 4 x 10 8 Buchst. Also etwa 2 Gbit (1 Buchst = 5 bit) Nanoman

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35 Fullerene - Nanoröhrchen C 60 Fulleren Nanoröhrchen Alle chemischen Bindungen abgesättigt hohe Stabilität Kroto, Smalley, Curl Nobelpreis 1996 Erstaunliche Eigenschaften: sehr leicht (nur aus oberfläche bestehend) härter als Stahl mit sehr hoher Leitfähigkeit herstellbar.....

36 Ein-Elektronen-Transistor Physikalische Blätter (Sept. 2001) 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)]

37 Nanoröhrchen zum mirkoskopischen Transport

38 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 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, H.J.Güntherodt, R. Wiesendanger, Scanning Tunneling Microscopy I-III, Springer Verlag, Berlin, J.A. Stroscio, W.J. Kaiser, Scanning Tunneling Microscopy, Academic Press, San Diego, C. Bai, Scanning Tunneling Microscopy and its Application, Springer Verlag, Berlin, R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge University Press, Schüler-RTM


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