Rastertunnelmikroskop

Quelle: weitgehend nach Kuhn Physik 2, S.325 (1. Auflage 2000)

Zwischen zwei Leitern, die sich nahe beieinander befinden, aber keinen Kontakt miteinander haben, wird eine Spannung angelegt. Im Ultrahochvakuum können dann Elektronen durch die zwischen den Leitern bestehende Potentialbarriere tunneln. Es fließt ein Tunnelstrom, dessen Größe exponentiell mit der Breite der Potentialbarriere abfällt. Diese Abhängigkeit des Tunnelstroms ermöglicht die Konstruktion eines neuartigen Mikroskops, das alle bisher bekannten Mikroskope im Auflösungsvermögen um Größenordnungen übertrifft. Mit diesem Rastertunnelmikroskop, für dessen Erfindung G.Binning und H. Rohrer 1986 den Physiknobelpreis erhielten, kann man atomare Strukturen direkt sichtbar machen.

Abb. 1:  Prinzipieller Aufbau des Rastertunnelmikroskops	Abb. 2: Das "kleinste Loch der Welt": Aufnahme mit dem Rastertunnelmikroskop einer MoS2-Oberfläche, in der ein einzelnes Atom fehlt (Quelle: W.Heckl, LMU München)

Dazu rastert eine feine Nadel die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts ab. Die Höhe der Nadel über der Oberfläche lässt sich sehr genau regulieren. Sie wird so eingestellt, dass zwischen der Nadelspitze und der Oberfläche ein nachweisbarer Tunnelstrom fließt. Beim Abrastern wird die Höhe der Nadel laufend so nachgeregelt, dass der Tunnelstrom einen konstanten Wert behält. Dies bewirkt, dass die Nadel immer ungefähr im gleichen Abstand zur Oberfläche bleibt. (Lokale Ladungsverschiebungen sowie Gitterdefekte können eine falsche Topologie vortäuschen.) Indem man die Nadelhöhe für jeden Punkt aufzeichnet, gewinnt man ein Höhenprofil der Oberfläche. Die Methode ist so empfindlich, dass man damit einzelne Atome in der Oberfläche ausmachen kann.