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Rastertunnelmikroskopie (RTM)

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die Rastertunnelmikroskopie kurz STM ist eine Methode um die Oberfläche eines Festkörpers im Ortsraum abzubilden dabei werden Auflösungen im atomaren Maßstab erreicht gibt im Gegensatz zu beugen smethoden fliegt und fliegt dienen reziproken Form abbilden können mit dem STM auch nicht periodische Strukturen direkt im Realraum sichtbar gemacht werden das Rastertunnelmikroskop oder Anfang der achtziger Jahre des letzten Jahrhunderts von dem Schweizer Heinrich Rohrer und dem Deutschen Gerd Binnig am IBM-Forschungslabor Rüschlikon in der Schweiz erfunden schon 19 186 erhielten sie für diese Leistung den Nobelpreis in Physik das Rastertunnelmikroskop nutzt den quantenmechanischen Tunneleffekt aus betrachten wir die Bereiche A und C die durch einen Potenzial bei der Höhe V im Bereich B voneinander getrennt sind klassisch können Teilchen mit einer Energie kleiner als Frau die Barriere nicht überwinden in der Quantenmechanik kann die Schrödinger-Gleichung für dieses Potenzial exakt gelöst werden die Aufenthaltswahrscheinlichkeit einer von links kommenden Welle fällt im Bereich der Barriere exponentiell ab rechts davon ist sie konstant wie ihr Wert in diesem Bereich sind exponentiell von der Dicke d der Barriere Abtei außerdem steht dem Exponent die Energiedifferenz E -minus v oder Wellen Energie unter Potenzial höher gibt es eine solche Situation ergibt sich wenn man 2 Metalle durch ein das Vakuum trennt die Potenzial Höhe entspricht dann der Austritts arbeitest mit teils und die Grundlinie der Ferne Energie beim Anlegen einer Spannung verschieben sich die Chemie Energie in der beiden Metalle gegeneinander Elektronen nahe der Energie können durch die Barriere und es fließt ein Strom dieser Tunnelstrom J hängt exponentiell von der Dicke der Barriere ab Binnig und Rohrer ersetzen das eine Metall durch eine Mono atomare spitzte sie entwickelten eine Technik um die Spitze präzise über die Oberfläche zu bewegen der Tunnelstrom ist dann ein Maß für den Abstand zwischen Spitze und Probe da es sich bei einer Abstand Änderung von einem Angström um eine Größenordnung ändert 19 182 gelang es bin und woran ein Bild der 7 Kreuz 7 Oberflächen Rekonstruktion von Silizium in 1 1 1 Richtung zu erstellen die Art der Rekonstruktion war lange umstritten und erst mit Hilfe des Tunnelmikroskop konnte diese Frage geklärt werden das theoretische Modell dazu entwickelten im gleichen Jahr der Japaner Takeshi AG und seine Mitarbeiter schauen wir uns diese spezielle Oberfläche etwas genauer an Silizium kristallisiert in einer Diamant Struktur deren Einheitszelle in der Animation dargestellt ist die ist ein größerer Teil des Kristalls zu sehen der Kristall wird nun in die 1 1 1 Richtung gedreht und es folgt ein Schnitt entlang der 1 1 1 Ebene die Basis der Oberfläche besteht aus 2 Atomen jedes 2. Atom der Oberfläche ist nur 3 von 4 möglichen Bindungen eingegangen um einen energetisch günstigeren Zustand einzunehmen rekonstruiert die Oberfläche in Form einer 7 Pro 7 über Struktur und greifen wir 1 7 kreuzigen Zelle exemplarisch heraus hier in der Seitenansicht die 1. rekonstruierte Schicht wird mit Geld noch Drogen gekennzeichnet zwischen den gelben Bereichen befinden sich die sogenannten deiner Atommacht den Abschluss bilden die Art Atome bis auf die 12 Art Atome haben nun alle Atome 4 Bindungen durch Hinzufügen weiterer Zellen entsteht das Gitter dem Rastertunnelmikroskop sind nur die Art Atome sichtbar der Vergleich mit einem Bild das Tunnelmikroskop liefert eine perfekte Übereinstimmung bereits im Originalbild von Binnig und Rohrer von 19 82 kann man die Struktur der Art Atome erkennen der experimentelle Nachweis der 7 Kreuzheben Rekonstruktion verhalf der Rastertunnelmikroskopie zur allgemeinen Anerkennung in der Wissenschaft und darüber hinaus im NWI Labor einen Lehrstuhl
magnetische Materialien und den Bräunig der Universität Konstanz befindet sich ein Rastertunnelmikroskop der Firma Micron für variable Temperaturen im Ultrahochvakuum das Rastertunnelmikroskop muss gegenüber den Vibrationen der Umgebung wie etwa Gebäude Schwingung gedämpft werden aus diesem Grund
wird die gesamte Anlage aus Gummiblöcken gelagert innerhalb der Kammer befindet sich ein
weiteres Dämpfungssystemen sowohl die Probe als auch die Spitze sind mit einer Basis Platte verbunden die an 4 Federn aufgehängt ist ein Wirbelsturm Dämpfungssystem bestehend aus einem Ring von Permanentmagneten bringt die Glasplatte zu ruhen auf der Basis Platte befindet sich ein Heiz und Kühlsystem ich hier wird die Probe auf einem Proben Halter eingebracht der Proben halte ist über elektrische Kontakte an die Elektronik des Mikroskops angeschlossen unterhalb der Basis Platte befindet sich das denn noch dieser kann mit Hilfe zweier piezoelektrischer Systeme gesteuert werden es handelt sich dabei um PC Teplice Elemente ein Stoff Verbund aus Blei und Sauerstoff so wie Titan und Zirkonium das 1. System dient zur groben Positionierung der Spitze mit Hilfe von Pi zu linear Motoren die beiden dargestellten Platten sind durch eine Klammer verbunden und gegeneinander verschiebbar mit steigender Spannung verformt sich das P zu Element und schiebt die obere Platte in x-Richtung geliebten schaltet man die Spannung abrupt ab zunimmt was P zu Element seine ursprüngliche Form wieder an die Platte durch ihre Trägheit an der neuen Position verbleibt durch Wiederholen des Vorgangs können die Platten in einem Bereich von insgesamt 10 Millimeter gegeneinander verschoben werden die Größe der einzelnen Schritte lässt sich zwischen 40 und 500 Nanometern variieren das gleiche gilt auch für die y und die z-Richtung das 2. System besteht aus einem P zu rühren Scanner auf dem die eigentliche Spitze angebracht ist während eines G 1 kommt nur dieses System zum Einsatz der Scanner besteht aus einem PC Element in Form einer 4 Zentimeter langen Röhre auf seiner Außenseite befinden sich 4 Elektronen die Innenseite ist nur mit einer einzigen Elektrode versehen will man nun die Spitze in horizontaler Richtung bewegen wird an 2 gegenüberliegenden Seiten eines jeweils entgegengesetzte Spannung angelegt an dadurch den sich die eine Seite der Wölfe aus während sich die andere verkürzt die maximale Auslenkung beträgt dabei 12 Mikrometer um die Spitze in z-Richtung zu bewegen wird an der innenliegenden Elektrode eine Spannung angelegt dadurch verlängert bzw. verkürzt sich die gesamte frühere um bis zu 1 , 5 Mikrometer die einzelnen Richtungen sind dabei weitgehend entkoppelt dies ermöglicht Bewegungen in alle 3 Raumrichtungen auf dem Röhren Scanner ist der Spitzenreiter mit der Spitze aus Wolfram befestigt die Güte der Spitze ist für die Bildqualität entscheidend Spitzen können im Labor selbst hergestellt werden dazu wird ein Stück Wolfram traten Natriumhydroxid
elektrochemisch geätzt die hier ein Bild der Spitze unter dem Elektronenmikroskop das hier vorgestellte System ist in der Lage Tunnel Ströme zwischen einem Pico Ampere und 300 Mann und der zu messen es gibt im Wesentlichen 2 unterschiedliche Messmethoden im Modus konstante für das die absolute Höhe der Spitze nicht verändert durch Auftragen des Tunnelstrom entsteht das Höhenprofil der Oberfläche dieser Modus hat den Nachteil dass die Spitze und Probe beim Scan berühren können der Vorteil besteht in einer einfachen Steuerung sowie einer höheren Scangeschwindigkeit im Modus konstanter Strom wird der Tunnelstrom konstant gehalten dadurch ändert sich auch der Abstand zwischen Spitze und Oberfläche nicht in das Höhenprofil erhält man dann durch Auftragen danach Regelung Spannung für die Spitze der Vorteil dieser Methode besteht darin dass die Spitze nicht mit der Oberfläche kollidieren können und
wenn mein Name ist vielleicht findet
gewandt am Lehrstuhl für magnetische Materialien Spintronik der Universität Konstanz Viertel demonstrieren wie man einen Scan Vorgang mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops ein Roveredo führt ich die Silizium
Probe vor den 1 1 1 Richtung von einem Kristall geschnitten und auf einem Proben Halter montiert nach dem Einschleusen in das Ultrahochvakuum wird die Oberfläche im hinteren Teil der Kammer präparierte durch starkes Erhitzen der Probe wird die Oberfläche von Verunreinigungen befreit und die 7 Kreuz 7 über Struktur erzeugt ich transferiere die Probe auf dem
Manipulator zum 1. die Überführung der Probe
vom Manipulator in das STM erfolgt mit
Hilfe des sogenannten Boris Text es handelt sich dabei um einen speziellen Greifarmen der
vielseitige Bewegung innerhalb der Apparatur ermöglicht es ist darauf zu 8. dass der greife
die Probe festhält damit sie nicht den unterfällt
Transfers im Vakuum erfordern höchste Konzentration und Präzision bei der Bedienung
anschließend wird die Arretierung des Tunnelmikroskop gelöst dann wird die Elektronik eingeschaltet die
grobe Positionierung der Spitze wird mit einer Fernbedienung vorgenommen die Größe der einzelnen Schritte lässt sich mit einem Regler variieren
kann auf dem Monitor können die Spitze und die Probe beobachtet werden die Proben die hier
untersucht werden haben alle eine spiegelnde
Oberfläche dadurch kann der Abstand zwischen Spitze und Probe gut abgeschätzt werden die
Spitze ist jetzt nahe genug an der Probe so dass die Automatik die weitere Annäherung übernehmen kann
nun können die eigentliche Messung beginnen
die Messungen werden Modus konstanter Strom durchgeführt dazu wählt man
eine tolle Spannung und ein Tunnelstrom die Nachrichten und Geschwindigkeit der Spitze kann über die Einstellung Club dem gewählt werden anschließend wird das Gen Geschwindigkeit und die Größe des Kernbereichs festgelegt der den Bereich von 10 Mal 10 Nanometern entspricht circa 4 Rekonstruktion zählen nach dem Starten des Genfer Vorgangs baut sich das Bild Zeile für Zeile auf der Welt ist wieder die
typische Struktur von Silizium in 1 1 1 Richtung zu erkennen wenn
er es basierend auf der STN
Technologie entwickelten sich im Laufe der Jahre weitere Anwendungen mit Hilfe der Tastatur Spektroskopie kann man die Zustandsdichte an der Oberfläche der Probe messen dabei wird ausgenutzt dass der Tunnelstrom auch von den Zustandsdichte von Spitze und Probe abhängt bei der Rasterkraftmikroskopie wird die atomare Anziehungskraft zwischen einer Spitze und der Oberfläche gemessen wird und in den letzten Jahren hat das gezielte verändern einzelner Oberflächen Atome oder Moleküle an Bedeutung gewonnen durch Anlegen einer hohen Spannung kann ein Oberflächenatome die Scanner Spitze geheftet und an eine andere Stelle verschoben werden es können zum Beispiel kleinste logische Strukturen zusammengesetzt werden kann hier eine Schaltung bestehend aus 545 Kohlenmonoxid Atom auf einer Kupfer 1 1 1 oberflächlich mit
Hilfe der Rastertunnelmikroskopie kann man einzelne Atome und Strukturen im Realraum sichtbar machen Oberflächen rekonstruieren um ein energetisch günstigeren Zustand zu erreichen die Spitze wird durch 2 piezoelektrische Systeme gesteuert im Modus konstanter Strom bleibt der Abstand zwischen Spitze und Probe konstant ein Bild erhält man durch Auftragen der nach Regelung Spannung schuld die auch die Reihe in der Liga und und und und und und nun auch auch und ja und auch das ich hernach da ja eine
Physiker
Sensor
Welle
Festkörper
Elektromagnetische Masse
Quantenmechanik
Vakuum
Teilchen
Richtung
Kristall
Atom
Energie
Elektronenröhre
Rastertunnelmikroskop
Dicke
Schrödinger-Gleichung
Metallschicht
Elektronikerin
Buchbinderei
Einschienenbahn
Rastertunnelmikroskopie
Energie
Jahr
Gitter
Oberfläche
Tunneleffekt
Schicht
Binnig, Gerd
Größenordnung
Kalenderjahr
Gebäude
Schwingung
Rastertunnelmikroskop
Temperatur
Ultrahochvakuum
Auslenkung
Positionierung
Bildqualität
Dauermagnet
Computeranimation
Richtung
Klammer <Technik>
Signal
Elektronenröhre
Stuck
Generator
Trägheit
Anlage <Unterhaltungselektronik>
Natriumhydroxid
Kühlsystem
Position
Scanner
Wirbelsturm
Elektronikerin
Elektronik
Klöppelspitze
Messschraube
Kämmen <Textiltechnik>
Elektrischer Kontakt
Motor
Gummifeder
Elektrode
Leitstern
Platte
Systems <München>
Steuerung
Elektronenmikroskop
Ampulle <Technik>
Messung
Oberfläche
Elektrischer Strom
Tunnel
Beschichten
Regelung
Kämmen <Textiltechnik>
Spintronik
Erhitzen
Besprechung/Interview
Verunreinigung
Oberfläche
Leitstern
Richtung
Ultrahochvakuum
Magnet
Manipulator
Besprechung/Interview
Manipulator
Greifarm
Besprechung/Interview
Besprechung/Interview
Apparatur
Übertragungsverhalten
Vakuum
Regler
Fernbedienung
Besprechung/Interview
Positionierung
Arretierung
Elektronik
Besprechung/Interview
Oberfläche
Monitor
Experiment innen
Computeranimation
Messung
Besprechung/Interview
Automat
Computeranimation
Geschwindigkeit
Eis
Messung
Position
Starter <Kraftfahrzeug>
Offsetdruck
Dunkelheit
Besprechung/Interview
Anstellwinkel
Kernreaktionsanalyse
Computeranimation
Richtung
Spektroskopie
LIGA-Verfahren
Beschichten
Tastatur
Rotor <Maschine>
Regelung
Computeranimation
Zustandsdichte
Atom
Rastertunnelmikroskopie
Oberfläche
Rasterkraftmikroskopie
Molekül
Systems <München>
Kalenderjahr

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Rastertunnelmikroskopie (RTM)
Untertitel Scanning Tunneling Miccroscopy (STM)
Autor Urra, Andreas
Leicht, Philipp
Mitwirkende Brendle, Manuel (Drehbuch, Regie, Animation)
Beer, Adrian (Animation, Beleuchtung)
Urra, Andreas (Kamera, Ton, Beleuchtung)
KIM Lecture Recording
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung - keine Bearbeitung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt in unveränderter Form zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.5446/32885
Herausgeber Universität Konstanz
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik
Abstract Ein Lehrfilm, der im Rahmen einer Abschlussarbeit an der Universität Konstanz entstanden ist. Abschlussarbeit von Manuel Brendle, Fachbereich Physik, Lehrstuhl Prof. Rüdiger.

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