STM - Scanning Tunneling Microscope

1. STM - Scanning Tunneling Microscope Lars Postulka und Sebastian Becker 18.01.2012 Einführung/Vorbemerkungen Einführung/Vorbemerkungen Theorie Inhaltsangabe Einführung/Vorbemerkungen • Messtechnik beruht auf dem Tunneleffekt • Typische Parameter sind: • Was ist ein STM? • Man misst einen Tunnelstroms zwischen einer dünnen Spitze und einer leitenden Probe während man die Spitze über die Probe bewegt • Zwei elementaren Bestandteilen • Eine dünne Spitze die knapp über einer elektrisch leitende Probe positioniert wird • Möglichkeit des Rasterns über hochsensible Steuermechanismen • Realisiert durch Piezokristalle STM • Einführung/Vorbemerkungen • geht nur mit leitender Probe • Theoretische Grundlagen • Ablösearbeit • Potentialbarriere • Wellenfunktion • Tunneln wegen exponentiellen Abfalls • Die Spitze • Typische Materialien: • Gold, Wolfram, Platin-Iridium • Dünne Draht wird in z.B. in einem NaOH - Bad unter Einfluss eines E-Felds zu einer Spitze geätzt • Optimalfall wäre nur ein Atom an der Spitze • Reell: • Drahtdicke im einstelligen µm bereich • Spitze wenige nm • 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 Quelle: Rev.Mod.Phys Vol. 79 Quelle: Rev.Mod.Phys Vol. 79

2. Gliederung • Einführung/Vorbemerkungen • Theoretische Grundlagen • Experimenteller Aufbau und Funktionen • Anwendungen • Quellen

3. 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

4. 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 Vol. 79

5. 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

6. 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

7. Theorie • STS – Spektroskopie • 3 typische Realisierungen • Hochfrequente Sinusspannung zusätzlich zur Arbeitsspannung • constant-spacing scanning tunneling spectroscopy (CS-STS) • variable-spacing scanning tunneling spectroscopy (VS-STS) Durch Variation der Spitzen – Proben Spannung kann die Zustandsdichte bestimmt werden

8. Experimenteller Aufbau und Funktionen Herausforderungen: • Abstand Spitze – Probe • Exakte Positionierung • Scharfe Spitze • Niedrige Messströme Schematischer Aufbau Aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Rastertunnelmikroskop

9. 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 Aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Piezo Tripod Tube Aus: http://www.fkp.uni-erlangen.de/methoden/stmtutor/stmpage.html

10. Text durch klicken bearbeiten Messmodi und Elektronik CHM: Constant Height Method CCM: Constant Current Method Spektroskopiemodus Aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Rastertunnelmikroskop Aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Rastertunnelmikroskop

11. Regelelektronik CCM • Rückkoppelschaltung im CCM Aus: http://www.fkp.uni-erlangen.de/methoden/stmtutor/stmpage.html

12. 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

13. Äußere Störungen 2 • Temperaturschwankungen • Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten führen zu ungewünschten Längenänderungen • Hoch- und Tieftemperatur-STM • Elektromagnetische Störeinflüsse • Sehr kleine Tunnelströme (pA bis nA)  störanfällig • Faradayscher Käfig • Luft • Oxidierende Metalloberflächen • Ultrahochvakuum

14. Spitze • Schneiden • Elektrochemisches Ätzen • Nachbehandlung durch elektrische Spannung Aus: http://www.educ.ethz.ch/unt/um/phy/mp/raster_tunnel/additum1.pdf Aus: Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy: Theory, Techniques and Applications, Dawn A. Bonnell

15. 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. Anwendungen 2 • Bandstruktur von Halbleitern Aus: Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy: Theory, Techniques and Applications, Dawn A. Bonnell

17. 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=4K

18. 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/additum1.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)