STM Scanning Tunneling Microscope Lars Postulka und Sebastian
STM - Scanning Tunneling Microscope Lars Postulka und Sebastian Becker 18. 01. 2012 16. 01. 12
Gliederung • Einführung/Vorbemerkungen • Theoretische Grundlagen • Experimenteller Aufbau und Funktionen • Anwendungen • Quellen 16. 01. 12 2
Einführung/Vorbemerkungen • Historisches – 1936 erste Elektronenrastermikroskop mit dem im nm-Bereich aufgelöst werden konnte – 1951 konnte mittels Feld-Ionen Spektroskopie erstmals im Atomaren bereich aufgelöst werden – 1981 erste STM von Binnig und Rohrer • Bekamen 1986 den Nobelpreis 16. 01. 12 3
Einführung/Vorbemerkungen • Was ist ein STM? – Man misst einen Tunnelstroms zwischen einer dünnen Spitze und einer leitenden Probe während man die Spitze über die Probe bewegt – So wird eine atomare Auflösung möglich • Zwei elementaren Bestandteilen – Eine dünne Spitze die knapp über einer elektrisch leitende Probe positioniert wird – Möglichkeit des Rasterns über hoch sensible Steuermechanismen • Realisiert durch Piezokristalle Quelle: Rev. Mod. Phys 16. 01. 12 Vol. 79 4
Theorie • Messtechnik beruht auf dem Tunneleffekt Bei kleiner Arbeitsspannung V: Damit ergibt sich für den Tunnelstrom die Näherung: Für die Zustandsdichte gilt bei Quelle: Rev. Mod. Phys Vol. 79 16. 01. 12 5
Theorie Technisch hat man zwei Möglichkeiten wie man misst Constant-current imaging • Konstanter Tunnelstrom • Dieser wird über einen Regelkreis konstant gehalten • Misst die Spannung zum Nachstellen des Piezokristalls • langsam Constant-heigt imaging • Regelkreis aus • misst die Änderung des Tunnelstroms • Schnell, da nicht geregelt werden muss • Gefahr eines Crashs Quelle: http: //de. wikipedia. org/wiki/Rastertunnelmikroskop 16. 01. 12 6
Theorie • STS – Spektroskopie Durch Variation der Spitzen – Proben Spannung kann die Zustandsdichte bestimmt werden • 3 typische Realisierungen • Hochfrequente Sinusspannung zusätzlich zur Arbeitsspannung • constant-spacing scanning tunneling spectroscopy (CS-STS) • variable-spacing scanning tunneling spectroscopy (VS-STS) 16. 01. 12 7
Experimenteller Aufbau und Funktionen Schematischer Aufbau Herausforderungen: • Abstand Spitze – Probe • Exakte Positionierung • Scharfe Spitze • Niedrige Messströme Aus: http: //de. wikipedia. org/wiki/Rastertunnelmikroskop 16. 01. 12 8
Positionierung Piezoelektrischen Effekt • Abstände: einige mm bis 5 -10 Å (Abweichung muss weniger als 1% betragen) • Grob- und Feinpositionierung • Positionierung durch Piezoelemente • Dehnung durch inversen piezoelektrischen Effekt: einige Angström pro Volt Tripod Aus: http: //de. wikipedia. org/wiki/Piezo Tube Aus: http: //www. fkp. uni-erlangen. de/methoden/stmtutor/stmpage. html 16. 01. 12 9
Messmodi und Elektronik • CHM: Constant Height Method Aus: http: //de. wikipedia. org/wiki/Rast ertunnelmikroskop • CCM: Constant Current Method Aus: http: //de. wikipedia. org/wiki/Rast ertunnelmikroskop • Spektroskopiemodus 16. 01. 12 Text durch klicken bearbeiten 10
Regelelektronik CCM • Rückkoppelschaltung im CCM Aus: http: //www. fkp. uni-erlangen. de/methoden/stmtutor/stmpage. html 16. 01. 12 11
Äußere Störungen 1 • Schwingungen - Gebäudeschwingungen (15 -20 Hz), Trittschall (2 -4 Hz), Vakuumpumpen, akustische Schwingungen etc. Aus: Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy: Theory, Techniques and Applications, Dawn A. Bonnell 16. 01. 12 12
Äußere Störungen 2 • Temperaturschwankungen - Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten führen zu ungewünschten Längenänderungen • Hoch- und Tieftemperatur-STM • Elektromagnetische Störeinflüsse - Sehr kleine Tunnelströme (p. A bis n. A) störanfällig - Faradayscher Käfig • Luft - Oxidierende Metalloberflächen - Ultrahochvakuum 16. 01. 12 13
Spitze • Schneiden Aus: http: //www. educ. ethz. ch/unt /um/phy/mp/raster_tunnel/a dditum 1. pdf • Elektrochemisches Ätzen Aus: Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy: Theory, Techniques and Applications, Dawn A. Bonnell • Nachbehandlung durch elektrische Spannung 16. 01. 12 14
Anwendungen 1 • Prinzipiell zwei Anwendungsmöglichkeiten - Abbildung - Manipulation • Supraleitende Vortizes Aus: Scanning tunneling spectroscopy of high-temperature superconductors, Fischer, O. et al. , Rev. Mod. Phys. 79, 353– 419 (2007) 16. 01. 12 15
Anwendungen 2 • Bandstruktur von Halbleitern Aus: Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy: Theory, Techniques and Applications, Dawn A. Bonnell 16. 01. 12 16
Anwendungen 3 • Fehlerlokalisation in Proben - STM ist lokale Abbildungsmethode und somit geeignet um Inhomogenitäten zu lokalisieren • Modifizierung von Oberflächen auf der Skala weniger Nanometer IBM-Logo, bestehend aus 35 Xenonatomen bei T=4 K 16. 01. 12 17
Quellen • • http: //de. wikipedia. org/wiki/Rastertunnelmikroskop http: //de. wikipedia. org/wiki/Piezo http: //en. wikipedia. org/wiki/Scanning_tunneling_spectroscopy http: //www. fkp. uni-erlangen. de/methoden/stmtutor/stmpage. html http: //www. educ. ethz. ch/unt/um/phy/mp/raster_tunnel/additum 1. pdf Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy: Theory, Techniques and Applications, Dawn A. Bonnell Scanning tunneling spectroscopy of high-temperature superconductors, Fischer, O. et al. , Rev. Mod. Phys. 79, 353– 419 (2007) 16. 01. 12 18
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