Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie

Vortrag von Christina-Andrea Kurz im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", SS 2002

Gliederung:

Einstieg: Für manch einen mag sich die Frage nach der Notwendigkeit der Rastertunnel- bzw. Rasterkraftmikroskopie stellen – gerade auf der Grundlage der Tatsache, dass bereits sowohl das Licht- als auch das Elektronenmikroskop existieren. Wozu braucht man die beiden Mikroskopierarten, was ist das Neue an ihnen? Um diese Fragen beantworten zu können, muss man sich zunächst mit den Möglichkeiten aber auch mit den Grenzen des Licht - sowie des Elektronenmikroskops befassen. Bei ersterem ist eine geringere Auflösung erreichbar; es ist jedoch nur begrenzt anwendbar, denn selbst bei Verwendung von Lichts immer kürzerer Wellenlänge, stößt man bald an seine Grenzen. In der Folgezeit widmete man sich deshalb der Entwicklung eines leistungsfähigeren Mikroskops, bei dem eine um den Faktor 50.000 bessere Auflösung erreicht werden kann, wodurch im Gegensatz zur Lichtmikroskopie sogar Atome sichtbar werden. Man macht sich hierbei die Tatsache zunutze, dass Elektronen als Wellen darstellbar sind. Die Probleme bei dieser Art des Mikroskopierens liegen jedoch einerseits in den hohen Kosten andererseits darin begründet, dass beispielsweise häufig Hochvakuum gewährleistet sein muss bzw. oft eine chemische Vorbehandlung zur Kontrasterhöhung notwendig wird.

1.Die Raster-Tunnel-Mikroskopie (RTM)

Die Rastertunnelmikroskopie (RTM) ist nun ein ganz anderer Ansatz, sie kann also nicht als Fortentwicklung des Elektronenmikroskops angesehen werden. Doch wie funktioniert die RTM, welche Möglichkeiten eröffnen sich mit ihrer Hilfe und in welchen Bereichen findet sie Verwendung? Wie ist ein RTM aufgebaut und welche Probleme ergeben sich bei dessen praktischer Umsetzung. Dies alles soll im Folgenden näher erläutert werden.

1.1 Wozu dient die RTM?

Heute ist es reich belegte Tatsache, dass Materie aus Atomen aufgebaut ist. Doch wie lassen sich einzelne Atome sichtbar machen? Wie sind Oberflächen auf atomarer Ebene beobachtbar und charakterisierbar? Auf welche Weise können Atomabstände vermessen werden oder wie lassen sich Fehlordnungen betrachten? Dies ist nur eine kleine Auswahl von Fragen, die sich mit Hilfe der RTM beantworten lassen.

1.2 Die RTM - Ursprung der Rastersondenmikroskopie

Die RTM bildet den Ursprung der Rastersondenmikroskopie, sie ist historisch gesehen ihr erster Vertreter. Das Prinzip der Rastersondenmikroskopie ist bei allen Verfahren gleich: eine feine Spitze – auch bezeichnet als Sonde – tastet das zu untersuchende Objekt in geringem Abstand ab; dabei sammelt die Sonde Signale, aus denen unter Zuhilfenahme eines Rechners ein Bild zusammengesetzt wird. Entsprechend der großen Bedeutung, die man der RTM zumisst, erhielten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer für deren Entwicklung 1986 den Nobelpreis der Physik.  

1.3 Aufbau eines Rastertunnelmikroskops

Das erste von Binnig und Rohrer hervorgebrachte RTM war wie folgt aufgebaut: die auf einem Dreifuß montierte Spitze kann in x,y- und z-Richtung über die Probenoberfläche bewegt werden. Eine genaue Ausrichtung von Spitze und Probe wird durch die Montage der Probe, die ebenfalls auf einem beweglichen Dreifuß, der sog. „Laus“ befestigt ist, ermöglicht.

1.4 Prinzip der RTM

Beschäftigt man sich nun näher mit dem Prinzip der RTM, so muss zunächst eine wichtige Einschränkung deutlich gemacht werden: die RTM erlaubt nur die Untersuchung elektrisch leitender Oberflächen. Die metallische Sonde, in der Regel eine feine Pt-Ir-Drahtspitze kontaktiert eine leitende Probe. Bei Verringerung des Abstands zwischen Spitze und Probe unter 1 nm und dem Anlegen einer Spannung in der Größenordnung von etwa 10 mV finden Tunnelprozesse statt, d.h. Elektronen können von der Sondenspitze auf die Probenoberfläche gelangen u.u. Dieser Nettofluss von Elektronen äußert sich als Tunnelstrom (--> vgl. 1.5). Zu beachten bei der Annäherung von Spitze und Probe ist dabei unbedingt, dass sich beide zu keiner Zeit berühren, da dies eine Veränderung der Spitze zur Folge hätte, und so keine genauen Messung geliefert würden. Die Spitze wird mittels Piezoelementen, die Annäherungen im Mikrometer bis hin zum Nanometerbereich erlauben, Zeile für Zeile, d.h. in x, y-Richtung über das gesamte Objekt bewegt („gerastert“). Mit dem z-Piezo ist eine Regulierung der Höhe möglich.     

1.5 Theorie 

Der Tunnelstrom stellt ein quantenmechanisches Problem dar, und um dieses zu lösen, muss näher auf die Theorie des Tunnelns eingegangen werden.

1.5.1 Tunneln durch eine Barriere

Folgt man den Vorstellungen der klassischen Physik, so kann eine Welle keine Potentialbarriere überwinden, die höher ist als seine eigene Energie. Die Elektronen sind also nur in der Lage, ein Metall zu verlassen, wenn ihnen eine entsprechend hohe Energie zugeführt wird. Im Gegensatz zu dieser Ansicht steht die der Quantenmechanik, die besagt, dass eine gewisse Wahrscheinlichkeit besteht, dass Elektronen trotzdem durch die Barriere gelangen können; man sagt, sie „tunneln“. Der Effekt wird dementsprechend als „Tunneleffekt“ bezeichnet. Die Wellenfunktion verschwindet nicht sofort an der Barriere, sondern fällt exponentiell mit zunehmender Tiefe in der Barriere und ist auf der anderen Seite entsprechend gedämpft. Bei einer Barriere endlicher Ausdehnung kann sich die Wellenfunktion nach der Barriere wieder ausbreiten.

Giaever, der 1973 den Physik-Nobelpreis erhielt, beschreibt den Tunneleffekt folgendermaßen:
„... es hört sich ziemlich seltsam an, dass, wenn man einen Tennisball oft genug gegen eine Wand wirft, er letztendlich hindurchgehen wird, ohne dass er oder die Wand beschädigt wird... Der Trick besteht natürlich darin, sehr winzige Bälle zu benutzen und eine Menge von ihnen.“ 

1.5.2 Realer Tunnelkontakt

Zum besseren Verständnis des Verhaltens von Elektronen in Metallen bzw. anderen leitfähigen Materialien leistet das Energiebändermodell einen erheblichen Beitrag. Ein Metall ist wie folgt aufgebaut: ein Metallkristall wird aus vielen isolierten Metallatomen eines Metalldampfes gebildet, bei deren Annäherung des zur Wechselwirkung und dadurch bedingt zur Aufspaltung der Energieniveaus kommt. Die Folge ist die Entstehung von Energiebändern, einer dichten Folge von Energieniveaus.      

Abb. 2: Die Energieniveaus zweier Metalle im Abstand a

Leitungselektronen füllen das Leitungsband bis zur sog. Fermi-Energie (höchste besetzte Energie). Elektronen, die die Fermi-Energie besitzen, haben die geringste Bindungsenergie zum Metall und werden durch eine Potentialbarriere – die Austrittsarbeit, die in etwa 5 eV beträgt - im Metall gehalten. Gemäß der Quantenmechanik ist es möglich, dass Elektronen mit einer Energie, die ungefähr der Fermi-Energie entspricht, bei nahem Aneinanderbringen der Metalle durch diese endlich hohe Potentialbarriere von einem in das andere Metall tunneln. Beim realen Tunnelkontakt muss aber folgende Bedingung zusätzlich beachtet werden: Elektronen können nur von besetzten zu unbesetzten Zuständen gleicher Energie tunneln. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, wird eine Spannung an den Tunnelkontakt angelegt, wodurch die Energieniveaus verschoben werden und sich in der Folge besetzte und unbesetzte Zustände gegenüber stehen. Elektronen können daher tunneln; es fließt ein Tunnelstrom, der exponentiell abhängt vom Abstand zwischen Spitze und Probe.

1.6 Probleme bei der praktischen Umsetzung und ihre Lösung

Bei der praktischen Umsetzung traten einige technische Probleme auf, die aber gelöst werden konnten, so z.B. die Unterdrückung von Vibrationen durch Aufhängung in einer isolierten Vakuumkammer oder die genaue Führung der Sonde, die durch piezoelektrische Keramik, welche sich beim Anlegen einer äußeren Spannung verformt, gewährleistet werden konnte. Weiterhin stellte die Herstellung geeigneter Sondenspitzen ein nicht unwesentliches Problem dar. Da das Auflösungsvermögen von Oberflächenstrukturen, also die Genauigkeit des Abtastens stark abhängig ist von der Spitze der Sonde, mussten sog. Minispitzen produziert werden. Diese erhält man durch elektrochemisches Ätzen, so dass die Oberfläche einer Sonde viele kleine Minispitzen aufweist, deren Enden jeweils aus nur wenigen Atomen bestehen. Dementsprechend fließt der gesamte Tunnelstrom nur über die zur Probe allernächste Minispitze; die laterale Auflösung ist folglich hoch.

1.7 Beispiele für die Leistungsfähigkeit der RTM

 Im Folgenden sollen einige Beispiele die Leistungsfähigkeit des RTM demonstrieren:

Abb. 3: RTM-Aufnahme einer Graphit-Oberfläche

       Abb. 4: Atomar aufgelöste RTM-Aufnahme einer Si-Oberfläche mit Stufen [9]    

  Abb. 5: RTM-Aufnahme der Oberfläche einer CD [9]

1.8 Fazit

 Binnig und Rohrer gelang es zu zeigen, dass die RTM ein hervorragendes Instrument zur Untersuchung von Oberflächen darstellt. Sie erlaubt jedoch nicht nur die Oberflächenanalyse, sondern auch das Ritzen von Oberflächen und die Verschiebung einzelner Atome auf der Oberfläche.

Abb. 6: Verschiebung von Xe-Atomen auf einer Ni-Oberfläche mit Hilfe einer Sondenspitze [5]

Das RTM stellt eine sehr wichtige praktische Anwendung der Quantenmechanik dar.

2. Die Raster-Kraft-Mikroskopie

Die Beschränkung der RTM auf leitende Oberflächen war wohl Motivation für Binnig, Quate und Gerber, eine Weiterentwicklung voranzutreiben.

2.1 Wozu dient die AFM?

Denn das AFM ermöglicht sowohl die Untersuchung von nichtleitenden Proben als auch den Einsatz in Flüssigkeiten und somit die vornehmliche Anwendung in der Biologie, der Biochemie und der Medizin, also den Bereichen, in denen meist unter physiologischen Bedingungen gearbeitet wird. Die AFM ist dort mittlerweile unerlässlich geworden. 

2.2 Das Prinzip der AFM

Bei der AFM werden Wechselwirkungskräfte zur Abbildung ausgenutzt: einerseits die anziehenden van der Waals-Kräfte und andererseits die abstoßenden Coulomb´schen Wechselwirkungskräfte. Diese wirken auf eine an einem Federbalken aufgehängte Spitze, was eine Verschiebung des Federbalkens zur Folge hat - optisch nachweisbar mittels des Lichtzeiger-Prinzips: ein Laserstrahl trifft auf die Rückseite des Balkens und wird an einer segmentierten Photodiode reflektiert. Da die Kraft zwischen Probe und Spitze – und somit die Verbiegung des Cantilevers – per Mechanismus konstant gehalten wird, kann die z-Position der Spitze registriert werden. Die Probe wird in x, y-Richtung unter Zuhilfenahme von Piezoelementen gerastert, so dass aus den Bewegungen in x, y,- und z-Richtung die Oberflächenstruktur abgelesen werden kann.     

  Abb. 7: Das Prinzip der AFM [12]

2.3 Die zwei verschiedenen Betriebsarten

Es existieren nun bei der Kraftmikroskopie zwei verschiedene Betriebsarten. Während die ersten Rasterkraftmikroskope ausschließlich im Contact-Modus arbeiteten, ist mittlerweile der Non-Contact-Modus ebenfalls etabliert. 

Beim Contact-Modus – auch bezeichnet als statische AFM, befindet sich die Spitze in mechanischem Kontakt zur Probenoberfläche; beim Non-Contact-Modus (dynamische AFM) hingegen schwebt die Spitze lediglich über der Probe ohne dass sich die Elektronenhüllen der Atome von Spitze und Probe durchdringen. Ein Hybrid von beiden stellt der sog. Tapping-Mode dar, bei der die Spitze während jeder Schwingungsperiode einmal kurz die Oberfläche berührt.

2.4 Weitere Anwendungsgebiete

Die Anwendungsgebiete sind vergleichbar der RTM extrem weit gefächert: so findet die AFM Anwendung u.a. bei der Bestimmung von Oberflächenrauhigkeiten, Schichtdicken, in der Klebstoffforschung im Hinblick auf Struktur und Verbindungseigenschaften, in der Biotechnologie (Antigen-Antikörper-Wechselwirkung) und der Medizintechnik (Knochen- und Zahnschmelzstruktur vor und nach erfolgter Behandlung), der Kosmetikforschung und schließlich der Magnetspeichertechnologie. 

2.5 Beispiele für die Leistungsfähigkeit der AFM