Molecular Modelling SS 2002 Raster-Tunnel-Mikroskopie (RTM) Scanning Tunneling Microscopy (STM) Yannick Bremond

Inhaltsverzeichnis Molecular Moddeling Einleitung Prinzip des Rastertunnelmikroskop Bändermodell Tunneleffekt an der Rechteckbarriere Tunnelstrom Messmodus Steuerung Piezoelektrischer Effekt Vorteile/Nachteile

Einleitung Molecular Moddeling • Heinrich Rohrer, geboren 1933 in Sankt Gallen • 1955 Diplom in Physik an der ETH Zürich • 1960 Dissertation über Supraleitung, ETH • 1961-1963 Postdoktorand, Rutgers University, New Brunswick, N.J. • 1963 Anstellung im IBM Forchungslabor • 1986 Nobelpreis der Physik mit Gerd Binning und E.Ruska für die Erfindung des RTM Gerd Binning, geboren 1947 ihn Frankfurt am Main 1978 Anstellung im IBM Forschungslabor 1986 Nobelpreis der Physik mit H. Rohrer und E.Ruska für die Erfindung des RTM Quelle:http://hrst.mit.edu/hrs/materials/public/Binnig&Rohrer.htm

Prinzip des Rastertunnelmikroskop Molecular Moddeling Prinzip des Rastertunnelmikroskop Quelle:http://2piweb.physik.rwth-aachen.de/prak/anleit/vers208.pdf

Bändermodell Molecular Moddeling WA = Austrittsarbeit ~5eV EF = die Energie, bei der die Wahrscheinlichkeit, dass der betreffende Zustand besetzt ist, ½ beträgt U = Spannung zwischen Sonde und Probe ~10mV Quelle:Paul A.Typpler;Physik;Spectrum-Verlag;s.1380

Tunneleffekt an der Rechteckbarriere Molecular Moddeling Tunneleffekt an der Rechteckbarriere (1) (2) Reflexion E < V0 klassische Physik Tunnelprozeß E < V0 Quantenmechanik Ein Teilchen kann mit endlicher Wahrscheinlichkeit eine Potentialbarriere überwinden. Schrödinger-Gleichung Rechteckiger Potentialwall;Darstellung einer Wellenfunktion an einer Eindimensionalen Tunnelbarriere Quelle:Paul A.Typpler;Physik;Spectrum-Verlag;s.1251

Tunneleffekt an der Rechteckbarriere Molecular Moddeling Tunneleffekt an der Rechteckbarriere • Die Zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung löst man in die 3 Bereiche x<0, 0<x<d und x>d mit dem Ansatz einer von links einlaufenden Welle, deren Amplitude exponentiell abklingt. Die Lösung lautet dann: A, B und C ergeben sich aus der Stetigkeit der Wellenfunktion und ihrer Ableitung an den Übergängen und . Durch Vereinfachung der Wellenfunktion im eindimensionalen Raum ergibt eine Lösung der Schrödinger-Gleichung eine Durchlasswahrscheinlichkeit D. Quelle:www.e-technik.uni-dortmund.de,www.ifp.uni-bremen.de

Tunnelstrom Molecular Moddeling Schon zu Beginn der Quantenmechanik wurde ein Tunneleffekt vorausgesagt. Zwischen zwei Metallen, die durch Vakuum oder ein Oxid getrennt sind, fließt ein Tunnelstrom. I: Tunnelstrom U: Extern angelegte Spannung s: Distanz zwischen Probe und Spitze : Barrierenhöhe Austrittsarbeit von Metall 1 zu Metall 2 • Der Tunnelstrom hängt exponentiell vom Abstand s ab. Für typische Austrittsarbeiten ~ 4,5eV ändert sich der Strom um eine Größenordnung,wenn die Distanz um 1 variiert. f Quelle:monet.physik.unibas.ch/www.physik.uni-erlangen.de

Messmodus Molecular Moddeling a) Constant Heigt Imagine CHI • Abrastern entlang der z-Achse mit dem Piezo-Element • Die Änderung des Tunnelstroms, also der lokalen Leitfähigkeit gibt Auskunft über die Oberflächentopographie • geeignet für feine Oberflächen z.B. Graphit • Ergebnis: Strombild b) Constant Current Topographie CCT • Konstante Strommessung • Messen des Abstandes über die Spannung am Piezo-Element • Ergebnis: Konstantstromtopographie, Höhenpeaks Quelle://www.chemie.uni-oldenburg.de/pc/al-shamery/pc-fpraktikum/v11.pdf

Steuerung Molecular Moddeling Durch das Anlegen einer Spannung entsteht zwischen Probe und Spitze ein Tunnelstrom, der exponentiell vom Abstand abhängt. Bei geringen Änderungen der Z-Achse folgen große Änderungen in IT. Quelle:http://www.chemie.uni-oldenburg.de/pc/al-shamery/pc-fpraktikum/v11.pdf

Piezoelektrischer Effekt Molecular Moddeling Piezoelektrischer Effekt • Piezoelektrische Rasterelemente, engl. Piezoelectric scanner, beruhen auf dem transversalen piezoelektrischen Effekt, der Kristall dehnt sich überwiegend senkrecht zum angelegten elektrischen Feld aus: : elektrisches Feld, L: länge, ΔL: Längenänderung d31: transversaler piezoelektrischer Koeffizient L Durch Anlegen verschiedener Spannungen wird die Längenänderung beeinflusst. Constant Heigt Imagine CHI - über zwei elektroden, x-y Ebene Constant Current Topographie CCT - über vier Elekroden, x-y-z Ebene y z Δlz UCCl UCHI x • Als Matrerial werden Keramiken wie PZT (Blei Zirkon Titanat) verwendet. Das Zirkon/Titan Verhältnis bewirkt eine Veränderung der Curietemperatur und der piezoelektrischen Koeffizienten. Quelle:www.monet.physik.unibas.ch

Vorteile/Nachteile Molecular Moddeling Vorteile Nachteile am besten geeignetes System zur Abbildung von Atomen sehr kompakt und praktisch zu handhaben relativ kostengünstig im Vergleich zu TEMs und REMs kein Vakuum erforderlich! Nachteile untersuchtes Präparat muss elektrisch leitend sein, um die zum Tunneln nötige Spannung zu gewährleisten äußerst erschütterungsempfindlich!

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit und ein schönes Wochenende Molecular Moddeling Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit und ein schönes Wochenende