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M ikroskopie bei atomarer Auflösung

M ikroskopie bei atomarer Auflösung. M . Krause – Lehrstuhl für Festkörperphysik. Gliederung:. Historische Entwicklung der Mikroskopie Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Einsatzgebiet des RTM am Lehrstuhl für Festkörperphysik Weitere Anwendungmöglichkeiten des RTM

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M ikroskopie bei atomarer Auflösung

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Presentation Transcript

  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 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

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

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

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

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

  10. Tunnel-effekt! Quantenmechanik 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! Wie entsteht der Tunnelstrom?

  11. 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?

  12. Grobannäherung: Piezo- Elemente Tripod: Laus: Piezoelektrische Platte Probe Spitze Tunnelstrom Oberfläche 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!

  13. Grobannäherung: Röhrenscanner: Beetle: Elek-troden Spitze Probe 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!

  14. 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, ...) Rampen

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

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

  17. Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (RTM) Spitzenpräparation Geätzte Wolframspitze

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

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

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

  21. 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 berücksichtigtwerden, d.h. es gehen auch dieEigenschaften der beteiligten Wellenfunktionen ein.

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

  23. 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.

  24. 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

  25. Die Intensitäten tragen die Information über die Anordnung der Atome in der EZ. • Berechnung der Intensitätenmittels volldyn.Theorie für wahrscheinliche Strukturmodelle • (trial-and-error). • Genauigkeit: 1/100 Atomdurchmesser Elektronenbeugung an Oberflächen • typische Elektronenenergie E = 150 eV • (Low Energy Electron Diffraction LEED) • geringe Eindringtiefe • oberflächenempfindlich • l = 0.1 nm

  26. 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

  27. U = - 1.9 V U = + 1.9 V Eisen/Silizium Grenzflächen und Eisensilizidbildung 3 mm x 3 mm 0,05 Lagen Fe auf Si Anfangszustände des Wachtums von Eisen auf Silizium

  28. 1.5 Lagen Eisen auf Silizium bei 600°C geheizt Eisen/Silizium Grenzflächen und Eisensilizidbildung 3 Lagen Eisen auf Silizium bei 600°C geheizt

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

  30. Konstant-Höhen-Modus Sauerstoff auf Ruthenium (FHI-Berlin) Schnelles Rastern! Dynamische Prozesse auf der Oberfläche direkt beobachtbar mit einer Frequenz von bis zu 60 Hz Für viele oberflächenspezifische Prozesse reicht diese zeitliche Auflösung bei weitem nicht aus und andere Methoden müssen herangezogen werden.

  31. 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.

  32. „Nanoman“ Datenspeicherung mit RTM Mögliche Speicherdichte: Platz pro Atom auf der Oberfläche: 0.1nm2würde 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)

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

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

  35. Nanoröhrchen zum mirkoskopischen Transport

  36. Literatur: Deutsch: • Jochen Fricke: Das Tunnel-Mikroskop.Physik in unserer Zeit, Heft 4, 1982S. 123 • Jochen Fricke: Erfindung des Tunnel-Mikroskops.Physik in unserer Zeit, Heft 6, 1986S. 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

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