Rastertunnelmikroskopie

Das Rastertunnelmikroskop eignet sich nur zur Mikroskopie von elektrisch leitfähigen Materialien, also hauptsächlich von Metallen und Halbleitern. Eine spitze Nadel, die Sonde, rastert in einem Abstand von wenigen Atomdurchmessern die Oberflächen ab. Nach Anlegen einer Spannung fließt ein schwacher Strom zwischen Sonde und Probe, obwohl sie sich nicht berühren. Dieser sogenannte Tunnelstrom wird als Bildsignal verwendet.

Den Tunnelstrom dürfte es nach den Gesetzen der klassischen Physik gar nicht geben, weil sich zwischen Sonde und Probe kein stromleitendes Material befindet. Anders im Nanokosmos. Hier geht es um atomare Längen und Abstände, hier gelten die Gesetze der Quantenphysik. Das Besondere am Tunnelstrom: Er reagiert äußerst sensibel, wenn sich der Abstand zwischen der Sonde des Mikroskops und der Probe auch nur minimal ändert. Aus diesem Grund wird der Tunnelstrom fast ausschließlich vom Abstand des äußersten Sondenatoms zum nächstgelegenen Atom oder Molekül auf der untersuchten Oberfläche bestimmt.

Messmethoden mit Rastertunnelmikroskopen

Mit Stickstoffionen beschossene Kupferoberfläche

Rastertunnelmikroskope können in Vakuum, an Luft und sogar in einigen Flüssigkeiten betrieben werden. Bei Messungen an Luft wird die Probe allerdings recht schnell von einer Oxidschicht, einem Wasserfilm oder anderen störenden Atomen und Molekülen bedeckt. Um atomare Auflösung zu erreichen, erfolgen die Messungen daher im Vakuum. Um auch sogenannte thermische Schwingungen von Sonde und Probe zu unterdrücken, wird außerdem oft bei sehr tiefen Temperaturen mikroskopiert. Einige Rastertunnelmikroskope sind auch mit starken Magneten ausgestattet, um zu untersuchen, wie sich die elektronischen Eigenschaften einer Probe in einem äußeren Magnetfeld ändern.

Bei Rastertunnelmikroskopen werden drei verschiedenen Messmodi unterschieden: Beim „Konstant-Höhen-Modus“ rastert die Sonde in konstanter Höhe über eine Probe, während die Änderung des Tunnelstromes gemessen wird. Diese Methode ist jedoch in vielen Fällen problematisch, da insbesondere bei einer unbekannten Oberfläche die Gefahr eines Zusammenstoßes von Spitze und Probe besteht.

In der Regel findet der „Konstant-Strom-Modus“ Anwendung. Hier wird die Sonde Punkt für Punkt auf einen konstanten Tunnelstrom eingestellt. Als Messwert dient die Strecke, die sich die Sonde an die Probe annähern oder von ihr entfernen muss, um den konstanten Tunnelstrom einzustellen.

Eine weitere Meßmethode ist der „Spektroskopie-Modus“. Bei dieser Betriebsart wird an jedem Messpunkt aufgezeichnet, wie der Tunnelstrom mit der angelegten Spannung variiert (Strom-Spannungs-Kennlinie). Der Spektroskopie-Modus ermöglicht oft einen noch tieferen Einblick in die elektronischen Eigenschaften einer Probe.

Was „sieht“ ein Rastertunnelmikroskop?

Elektronische Signal eines Dotieratoms

Obwohl es ohne weiteres möglich ist, mit dem Rastertunnelmikroskop sogar einzelne Atome abzubilden, muss sich der Experimentator jedes Mal fragen, was er auf seinem mikroskopierten Bild wirklich sieht. Genaugenommen misst ein Rastertunnelmikroskop, wie viel Elektronen einer bestimmten Energie auf einem winzigen Ausschnitt der Probenoberfläche zu finden sind – die sogenannte lokale Zustandsdichte (LDOS, engl.: local density of states). Das Rastertunnelmikroskop erfasst daher keine atomaren Berg- und Tallandschaften (Topographie), sondern die elektronischen Eigenschaften einer Oberfläche. Ein einzelnes Sauerstoffatom auf der Oberfläche eines Wolframkristalls wird unter dem Rastertunnelmikroskop zum Beispiel nicht als „Berg“, sondern als ein Vertiefung sichtbar.

In vielen Fällen gibt die Abbildung eines Rastertunnelmikroskops die Topographie der Oberfläche allerdings recht gut wieder. Das gilt insbesondere dann, wenn die Probe aus nur einer Sorte Atome oder Moleküle besteht.

Messen von Materialeigenschaften

Für die Grundlagenforschung sind die Eigenschaften eines Materials oft viel wichtiger als seine Topographie. Ein Rastertunnelmikroskop „sieht“ die elektronischen Zustände der untersuchten Probe und diese stehen in direktem Zusammenhang mit diversen Materialeigenschaften, wie elektrischer Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, chemischer Aktivität und dem Magnetismus.

In der Elektronik werden zum Beispiel Halbleitermaterialien absichtlich mit Fremdatomen „verschmutzt“. Diese sogenannte Dotierung ist ein statistischer Prozess, das heißt die Fremdatome sind zufällig im Material verteilt. Mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie lässt sich erstmals genau sehen, wo sich einzelne Dotieratome im Halbleiterkristall befinden, sogar dann, wenn sie mehrere Atomlagen unter der Oberfläche liegen. Die atomar genaue Bestimmung eines solchen „Dotierprofils“ wird um so wichtiger, je kleiner elektronische Bauteile werden.

Das spinpolarisierte Rastertunnelmikroskop

Magnetische Sonde eines Rastertunnelmikroskops

Mit einem kleinen Trick kann ein Rastertunnelmikroskop auch magnetische Eigenschaften einer Probe ertasten – und zwar aufs Atom genau: Mit einer magnetischen Sonde.

Elektronen haben nicht nur eine elektrische Ladung, sie haben auch einen Spin. Anschaulich und stark vereinfacht ist der Elektronenspin so etwas, wie die Rotation des Teilchens um seine eigene Achse. Der Elektronenspin ist die eigentliche Ursache des Magnetismus. Bei einem Magnet zeigt der Elektronenspin vieler benachbarter Atome in die gleiche Richtung. Ist die magnetische Ausrichtung der Sondenspitze parallel oder antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der Probe, dann fließen eine unterschiedliche Zahl von Elektronen. Der Tunnelstrom ist daher auch von den Magnetisierungsrichtung an Probe und Spitze abhängig.

Auf diese Weise können Rastertunnelmikroskope tatsächlich Atom für Atom den Magnetismus einer Probe fühlen. Besonders interessant ist die Erforschung der Grenzbereiche, an denen sich die Richtung des Magnetfeldes ändert. Diese Domänengrenzen sind in der Regel kontinuierlich und erstrecken sich über viele Atome. Mit dem spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop (SP-STM, engl.: spin polarised scanning tunneling microscope) konnten aber auch schon atomar scharfe magnetische Domänengrenzen gefunden werden.

Aufsehenerregende Messungen erfolgten auch an einem antiferromagnetischen Material. Bei Antiferromagneten zeigt der Elektronenspin benachbarter Atome jeweils in die entgegengesetzte Richtung. Mit einem Spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop ist es Wissenschaftlern am Hamburger Zentrum für Mikrostrukturforschung gelungen, diese von Atom zu Atom wechselnden Spinrichtungen erstmals sichtbar zu machen.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie ist die Untersuchung der spinabhängigen elektronischen Struktur sowie des spinabhängigen Elektronentransports in Halbleiter-Ferromagnet-Hybridsystemen, welche eine zentrale Rolle im Bereich der Spintronik spielen. Erst die detaillierte Analyse und gezielte Kontrolle spinabhängiger Phänomene auf der atomaren Skala wird die Effizienz zukünftiger Bauelemente der Spintronik wesentlich verbessern können.

Rastertunnelmikroskope als Werkzeug

Atomarer Zaun aus Kobaltatomen

Rastertunnelmikroskope können einzelne Atome und Moleküle nicht nur abbilden, sie können sie auch bewegen. Dabei gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Atome lassen sich verschieben oder auch aufheben und absetzen, wie von einem Kran. Die aufsehenerregendsten Experimente gelangen hier dem amerikanischen Physiker Don Eigler. Schon 1991 verblüffte er die Weltöffentlichkeit, als er mit 35 Xenonatomen den Schriftzug „IBM“ legte. In späteren Experimenten baute er unter anderem atomare Zäune (engl.: quantum corral). In diesen „Käfigen“ lassen sich elektronische Zustände „einsperren“ und erforschen.

Wenn es gelingt, einzelne Atome hin- und herzuschieben, was liegt dann näher, als sich auf diese Weise Atom für Atom neue Moleküle zu bauen? Tatsächlich ist es in Experimenten bereits gelungen, mit Stromstößen aus einem Rastertunnelmikroskop Moleküle zu zerteilen und auch wieder zusammenzusetzen.