Mikroskopie bei atomarer Auflösung M. Krause – Lehrstuhl für Festkörperphysik Links: Kohlenmonoxid-Moleküle auf einer Platin(111)–Oberfläche Rechts: Reminiscent of formal Japanese rock gardens, here we see ripples surrounding features on the copper (111) surface. The artists' fortunes took a major turn upward when they determined that the ripples were due to "surface state electrons." These electrons are free to roam about the surface but not to penetrate into the solid. When one of these electrons encounters an obstacle like a step edge, it is partially reflected. The ripples extending away from the step edges and the various defects in the crystal surface are just the standing waves that are created whenever a wave scatters off of something. The standing waves are about 15 Angstroms (roughly 10 atomic diameters) from crest to crest. The amplitude is largest adjacent to the step edge where it is about 0.04 Angstroms from crest to trough. [Crommie, Lutz & Eigler]

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

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

Historische Entwicklung der Mikroskopie Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Ernst Ruska 1933

Historische Entwicklung der Mikroskopie Erstmals Abbildung einzelner Atome 1955. Beschränkung auf die Untersuchung sehr dünner Spitzen ausgewählter Materialien! Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Feldionenmikroskop Erwin Wilhelm Müller, 1951

Historische Entwicklung der Mikroskopie Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Feldionenmikroskop Topografiner Young succeeded in building an instrument that worked on this principle. The distance between the stylus tip and the surface was approximately 200 Å. Its resolution was thus considerably poorer than that of an electron microscope However, Young realised, that it should be possible to achieve better resolution by using the so-called tunnel effect This is a quantummechanical effect that allows an electron (and also other particles to cross an area where, according to classical physics it cannot exist since it lacks sufficiently high energy. It makes its way so to speak, through a potential mountain by quantum-mechanical tunneling; hence the name tunneling microscope. This means here that if the tip of the stylus is near enough to the surface (10 Å, i.e. 1-2 atom diameters) a current flows even at low voltages. In the same way as field emission, it should be possible to control the stylus without mechanical contact. However, Young was unable to convert this idea into practice owing to the exceptionally large experimental difficulties involved Russel Young 1971

Atomare Auflösung auf Metall- und Halbleiter-Oberflächen Historische Entwicklung der Mikroskopie Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Feldionenmikroskop Topografiner Rastertunnelmikroskop (1981) Atomare Auflösung auf Metall- und Halbleiter-Oberflächen STM does NOT probe the nuclear position directly, but rather it is a probe of the electron density, so STM images do not always show the position of the atoms, and it depends on the nature of the surface and the magnitude and sign of the tunneling current. Nobelpreis 1986 zusammen mit Ernst Ruska (Elektronenmikroskop) Gerd Binnig Heinrich Rohrer

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

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

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

Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Tunneleffekt Annäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt Logarithmische Abstandsab-hängigkeit des Tunnelstroms! ~ 0.1 - 3 V Wie kann eine so exate Positionierung erreicht werden?

Piezoelektrische Platte Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Tunneleffekt Annäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt Logarithmische Abstandsab-hängigkeit des Tunnelstroms! ~ 0.1 - 3 V Piezoelektrischer Effekt: Piezoelektrische Kristalle können durch Anlegen einer elektrischen Spannung verkürzt oder verlängert werden! Laus: Probe Piezoelektrische Platte Grobannäherung: Spitze Tunnelstrom Oberfläche Piezo- Elemente Tripod:

Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Tunneleffekt Annäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt Logarithmische Abstandsab-hängigkeit des Tunnelstroms! ~ 0.1 - 3 V Piezoelektrischer Effekt: Piezoelektrische Kristalle können durch Anlegen einer elektrischen Spannung verkürzt oder verlängert werden! Beetle: Grobannäherung: Probe Spitze Röhrenscanner: Elek-troden

Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Tunneleffekt Annäherung einer (auf atomarer Skala) scharfen metallischen Spitze an eine Oberfläche bis auf wenige Atomabstände Tunnelstrom fließt Logarithmische Abstandsab-hängigkeit des Tunnelstroms! ~ 0.1 - 3 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, ...) Probleme: Trittschall, Sprechschall, Gebäudeschwingungen... The reason for their(binnig, rohrer) success was the exceptional precision of the mechanical design One example of this is that disturbing vibrations from the environment were eliminated by building the microscope upon a heavy permanent magnet floating freely in a dish of superconducting lead. Less bulky but equally effective devices for stable, disturbance-free suspension of the microscope have now been developed Rampen

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

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

Spitzenpräparation Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Geätzte Wolframspitze

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

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

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

„Was sieht man eigentlich mit dem RTM?“ Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) „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.

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

Lehrstuhl für Festkörperphysik Universität Erlangen-Nürnberg  Oberflächenphysik Warum ist Oberflächenphysik interessant? 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.

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

Elektronenbeugung an Oberflächen typische Elektronenenergie E = 150 eV (Low Energy Electron Diffraction LEED) geringe Eindringtiefe oberflächenempfindlich l = 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 Wegen der Vielfachstreuprozesse kann nicht einfach eine Fourier-Transformation das Realraumbild liefern  aufwendige Modellfindung STM als geniale Zusatzinformation zur Modellfindung, weil in der ersten lage oft am meisten passiert

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

Eisen/Silizium Grenzflächen und Eisensilizidbildung U = - 1.9 V U = + 1.9 V Durch die Gitterfehlpassung zwischen Silizium und verschiedenen Eisensiliziden lassen sich dünne Schichten von Eisensiliziden wachsen, die mit derselben Kristallstruktur nicht als Volumenkristall existieren 3 mm x 3 mm 0,05 Lagen Fe auf Si Anfangszustände des Wachtums von Eisen auf Silizium

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

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

Sauerstoff auf Ruthenium 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) Konstant-Höhen-Modus Für viele oberflächenspezifische Prozesse reicht diese zeitliche Auflösung bei weitem nicht aus und andere Methoden müssen herangezogen werden.

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.

Datenspeicherung mit RTM „Nanoman“ Datenspeicherung mit RTM Mögliche Speicherdichte: Platz pro Atom auf der Oberfläche: 0.1nm2 würde für 1 bit reichen 0.1nm2 = 10-15 cm2  1015 bit/cm2 Damit wäre die Kapazität einer CD-Fläche: 108 Gbit Zum Vergleich hat eine Enzyklopädie 120 Buchst./Zeile x 120 Zeilen/Seite x 30000 Seiten = 4 x 108 Buchst. Also etwa 2 Gbit (1 Buchst = 5 bit) IBM: Xenon auf Ni(110) CO-Man: CO auf Pt(111)

C60 Fullerene - Nanoröhrchen Nanoröhrchen Kroto, Smalley, Curl Nobelpreis 1996 C60 Fulleren Alle chemischen Bindungen abgesättigt  hohe Stabilität Erstaunliche Eigenschaften: sehr leicht (nur aus oberfläche bestehend) härter als Stahl mit sehr hoher Leitfähigkeit herstellbar .....

Physikalische Blätter (Sept. 2001) Ein-Elektronen-Transistor Physikalische Blätter (Sept. 2001) Knicke durch Raster-kraft- mikroskop Gold Nanoröhrchen Gold (Cees Dekker TU Delft) [Science, 293, 76 (2001)] Umschalten zwischen Strom „an“ und Strom „aus“ durch ein einziges Elektron möglich

Nanoröhrchen zum mirkoskopischen Transport

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. 189 - 191  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, 1993. H.J.Güntherodt, R. Wiesendanger, Scanning Tunneling Microscopy I-III, Springer Verlag, Berlin, 1991. J.A. Stroscio, W.J. Kaiser, Scanning Tunneling Microscopy, Academic Press, San Diego, 1993. C. Bai, Scanning Tunneling Microscopy and its Application, Springer Verlag, Berlin, 1992. R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge University Press, 1994   http://www.fkp.uni-erlangen.de/methoden/stmtutor/stmpage.html Schüler-RTM http://sxm4.uni-muenster.de/ http://www.muenster.org/annette/aktuelles.htm