Quelltext der Seite Rastertunnelmikroskop

[[Datei:Rastertunnelmikroskop 2004.jpg|mini|Rastertunnelmikroskop auf Schwingungsisolation]]
[[Datei:First STM.jpg|mini|Das erste Rastertunnelmikroskop von Binnig und Rohrer]]
Das '''Rastertunnelmikroskop''' (abgekürzt '''RTM''', {{enS|scanning tunneling microscope}}, STM) gehört zu den Techniken der [[Rastersondenmikroskopie]] (engl. {{lang|en|''scanning probe microscopy''}}, SPM), welche es ermöglichen, die Flächen gleicher Elektronenzustandsdichte von Oberflächen abzubilden. Das Funktionsprinzip des RTMs basiert auf dem quantenmechanischen [[Tunneleffekt]].

Bei einer angelegten Spannung zwischen einer feinen Spitze und einer Oberfläche führt dies bei einem ausreichend kleinen Abstand zu einem messbaren Tunnelstrom. Die Grundvoraussetzung für diese Art der Rastersondenmikroskopie sind eine elektrisch leitende Probe und eine elektrisch leitende Tunnelspitze. Rastert man nun zeilenweise über die Oberfläche und misst an jedem Messpunkt den Tunnelstrom, erhält man eine Höhentopographie konstanter Elektronendichte. Diese erlaubt einen Rückschluss auf die tatsächliche Oberflächenstruktur bis zur atomaren Auflösung.

== Funktionsweise ==
[[Datei:STMFunktionsprinzip.jpg|mini|Funktionsprinzip des RTM]]

Bei der rastertunnelmikroskopischen Messung wird eine elektrisch leitende Sonde, in Form einer feinen Spitze, systematisch in einem Raster über das ebenfalls leitende Untersuchungsobjekt gefahren. Der Abstand zwischen Spitze und Objekt ist dabei außerordentlich klein ([[Nanometer]]), aber nicht null. Zwischen der Oberfläche und der Spitze wird eine elektrische Spannung angelegt. Aufgrund des Abstandes gibt es aber noch eine [[Potential (Physik)|Potentialbarriere]], die die Elektronen nicht überwinden können. Aufgrund des auftretenden [[Tunneleffekt]]es ist dennoch ein kleiner Strom messbar. Dieser ist sehr empfindlich für kleinste Abstandsänderungen, da die Tunnelwahrscheinlichkeit mit dem Abstand exponentiell abnimmt. Liegt nun auf der Oberfläche eine topographische Erhöhung vor, kann diese durch ein Ansteigen im Tunnelstrom registriert werden. Durch das Abrastern der Probe kann so ein zweidimensionales Bild erzeugt werden.

Der [[Tunneleffekt]] zwischen zwei Metallen, die durch eine dünne Oxidschicht separiert sind, wurde 1961 von [[John Bardeen]] mit Hilfe der zeitabhängigen [[Störungstheorie (Quantenmechanik)|Störungstheorie]] erster Ordnung ([[Fermis Goldene Regel]]) erklärt.<ref>{{Literatur |Autor=J. Bardeen |Titel=Tunnelling from a Many-Particle Point of View |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=6 |Nummer=2 |Datum=1961-01-15 |Seiten=57–59 |DOI=10.1103/PhysRevLett.6.57}}</ref> Überträgt man diese Theorie auf die Rastertunnelmikroskopie, so ist eine atomar genaue Kenntnis der Spitze notwendig, um die gemessenen Bilder zu interpretieren. Eine wesentliche Vereinfachung stellt die sogenannte [[Tersoff-Hamann-Theorie]]<ref>{{Literatur |Autor=J. Tersoff, D. R. Hamann |Titel=Theory of the scanning tunneling microscope |Sammelwerk=Physical Review B |Band=31 |Nummer=2 |Datum=1985-01-15 |Seiten=805–813 |DOI=10.1103/PhysRevB.31.805}}</ref> dar, die den Einfluss der Spitze auf die Messung vernachlässigt und Aussagen über die elektronische Struktur der Probe liefert (im Wesentlichen über die lokale elektronische Zustandsdichte im Oberflächenbereich). Die Spitze wird dabei als ein Metallatom mit linearer elektronischer [[Zustandsdichte]] und kugelsymmetrischen s-[[Wellenfunktion]]en angenommen. Eine Erweiterung dieser Theorie lieferte [[C. Julian Chen]],<ref>{{Literatur |Autor=C. Julian Chen |Titel=Origin of atomic resolution on metal surfaces in scanning tunneling microscopy |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=65 |Nummer=4 |Datum=1990-07-23 |Seiten=448–451 |DOI=10.1103/PhysRevLett.65.448}}</ref> der komplexere Spitzengeometrien berechnete. Eine wirklich dreidimensionale Theorie zum Rastertunnelmikroskop ist zwar analytisch aufstellbar, jedoch in der Regel kaum lösbar und damit von untergeordneter Bedeutung. Dreidimensionale Systeme können nur näherungsweise numerisch berechnet werden, meist unter der Zuhilfenahme mehrerer abgeschätzter Parameter. Simulationen von RTM-Bildern von [[Organische Chemie|organischen]] [[Molekül]]en auf [[Oberflächenchemie|Oberflächen]] sind durch Überlagerungen von besetzten bzw. unbesetzten [[Molekülorbitaltheorie|Molekülorbitalen]] der Moleküle im Vakuum möglich, die man zum Beispiel aus der [[Dichtefunktionaltheorie (Quantenphysik)|Dichtefunktionaltheorie]] erhält.

Der Tunnelstrom an der Spitze ist abhängig von der [[Austrittsarbeit]] <math>\Phi</math> der Elektronen und fällt exponentiell mit dem Abstand <math>d</math> zwischen Probe und Spitze ab. In erster Näherung  gilt:<ref>{{Literatur |Autor=Wandelt, K. (Klaus), 1944- |Titel=Encyclopedia of interfacial chemistry : surface science and electrochemistry. Volume 1, 1.1 experimental methods, 1.2 surface science under environmental conditions |Ort=Amsterdam, Netherlands |Datum= |ISBN=978-0-12-809894-3 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780124095472136224 |Abruf=2020-01-10}}</ref>

<math display="block">I_{{\scriptstyle\text{tun}}} \sim \exp{\left(-2d\sqrt{2m_\text{e} \Phi/\hbar^2}\ \right)} \approx \exp{\left(-10{,}25 \cdot \sqrt\frac\Phi\mathrm{eV} \cdot \frac d\mathrm{nm}\right)}</math>

Hier ist <math>m_\text{e}</math> die Elektronenmasse und <math>\hbar</math> die [[reduzierte Planck-Konstante]]. Daraus ergibt sich eine starke Abhängigkeit des Tunnelstrom von dem Abstand: Bei einer Austrittsarbeit von 5&nbsp;eV ändert sich der Strom bei einer Abstandsänderung um 0,1&nbsp;[[Nanometer|nm]] (etwa 1/3 bis 1/2 Atomdurchmesser) um etwa einen Faktor&nbsp;10.

Die Ortsabhängigkeit des Tunnelstroms spiegelt die [[Faltung (Mathematik)|Faltung]] der realen Topographie mit elektronischen Eigenschaften wider. Eine dreidimensionale Auftragung suggeriert dabei einen Blick auf die [[Topografie (Messtechnik)|Oberflächentopografie]], bildet aber exakterweise die Höhentopografie konstanter Elektronendichte ab.[[Datei:Quantum tunnel effect and its application to the scanning tunneling microscope.ogv|mini|Video-Erklärung des Rastertunnelmikroskops (Englisch)]]

== Experimentelle Randbedingungen ==
[[Datei:Atomic resolution Au100.JPG|mini|RTM-Messung einer [[Oberflächenrekonstruktion|rekonstruierten]] [[Millersche Indizes|(100)]]-Fläche eines [[Gold|Au]]-[[Einkristall]]s]]
[[Datei:Graphite ambient STM.jpg|mini|RTM-Aufnahme einer Graphitoberfläche in atomarer Auflösung]]
[[Datei:Selfassembly Organic Semiconductor Trixler LMU.jpg|mini|RTM-Aufnahme von [[Selbstassemblierung|selbstassemblierten]] Molekülketten]]
[[Datei:St2930 gail.gif|mini|Rastertunnelmikroskopische Aufnahme von Verunreinigungen einer [[Eisen]]kristalloberfläche mit [[Chrom]]atomen (kleine Spitzen)]]
[[Datei:Co ellipse.png|mini|Rastertunnelmikroskopische Aufnahme von [[Cobalt]] Atomen auf einer [[Kupfer]]oberfläche.  Nennenswert sind die kreisförmigen Wellen innerhalb des Kreises, die nicht Teil der Oberfläche sind, sondern durch die Elektronen der Cobalt Atome entstehen.]]

Da das Prinzip der Rastertunnelmikroskopie auf der Messung eines Stromflusses zwischen der Probe und der Spitze des Rastertunnelmikroskops beruht, können nur elektrisch leitende Proben ([[Metalle]], [[Halbleiter]] oder [[Supraleiter]]) direkt untersucht werden. Nicht leitende Proben zeigen zwar ebenfalls Tunnelphänomene, der Tunnelstrom kann jedoch nicht durch die Probe an die Gegenkathode gelangen und gemessen werden. Daher müssen sie vorher mit einer feinen elektrisch leitenden Schicht bedampft werden ([[Graphit]], [[Chrom]] oder [[Gold]]), welche am Rand der Probe Kontakt zur Probenhalterung hat. Eine weitere Möglichkeit ist die Untersuchung sehr [[Dünne Schichten|dünner Schichten]] eines [[Nichtleiter]]s auf einem leitenden [[Substrat (Materialwissenschaft)|Substrat]].

Da ein sehr kleiner Tunnelstrom (typ. 1&nbsp;pA bis 10&nbsp;nA) sensitiv schon auf Änderungen von hundertstel Nanometer reagiert, muss der Spitze-Probe-Abstand von typ. 0,5–1&nbsp;nm auf weniger als 1 % Abweichung stabilisiert werden. Daher finden je nach gewünschter Präzision verschiedene Techniken zur Isolation Verwendung:

Thermische Isolation: Temperaturvariationen führen aufgrund der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendeter Materialien zu störenden Modulationen des Spitze-Probe-Abstandes. Im CCM ''(constant current mode)'' führen diese zu Verzerrungen. In Modi, bei denen keine Regelschleife zur Regulation des Abstandes verwendet werden wie im CHM ''(constant height mode)'' oder während der Spektroskopie, können auch oberflächenzerstörende Spitze-Probe-Kontakte stattfinden.

Akustische Isolation: Durch Schallwellen können mechanische Teile zum Schwingen angeregt werden, die entweder den Spitze-Probe-Abstand modulieren, oder durch Kapazitätsänderungen im stromführenden Kabel das Messsignal stören. Durch Verwendung von Schallisolierung oder Schallboxen kann dieser Einfluss reduziert werden.

Mechanische Isolation: Ein stark störender Einfluss sind mechanische Schwingungen, die durch das Gebäude über den Aufbau ins System getragen werden. Diese Schwingungen können durch den Einsatz von aktiven und passiven (Luftfeder-)Füßen, durch Federaufhängung, oder einer magnetischen [[Wirbelstrombremse]] reduziert werden. Oft werden Kombinationen aus verschiedenen Techniken verwendet, da die Filtereigenschaften variieren. Wirbelstrombremsen eignen sich zur Dämpfung schneller Schwingungen (>&nbsp;1&nbsp;kHz), während aktiv geregelte Dämpfungsaufbauten insbesondere bei Aufbauten in höheren Etagen hoher Gebäude geeignet sind, niederfrequente (<&nbsp;1&nbsp;Hz) Störungen durch Gebäudeschwingungen zu minimieren.

Die Tunnelspannungen zwischen Spitze und Probe betragen in der Regel wenige Millivolt bis zu einigen Volt. Die untere Grenze ist dabei durch die Temperatur bzw. durch das thermische Rauschen bestimmt (Raumtemperatur ca. 50&nbsp;mV). Bei Raumtemperatur ist zudem die maximale Spannung durch gasförmige Teilchen bestimmt, die in die Tunnelbarriere eintreten können. So treten ab ca. 2&nbsp;V kurzzeitige Stromspitzen auf, die die Oberfläche nachhaltig zerstören. Bei tiefen Temperaturen und innerhalb eines Vakuumsystems können aber problemlos auch sehr hohe Spannungen jenseits von 100&nbsp;V angelegt werden, wobei der Übergang des Tunnelstroms in einen Feldemissionstrom beobachtet werden kann.

Sowohl die zu untersuchende Oberfläche als auch die benutzte Spitze müssen an der Oberfläche elektrisch leitend sein. Besteht die zu untersuchende Oberfläche aus Metallen, die an Luft [[Oxidation|oxidieren]] können (zum Beispiel [[Kupfer]], [[Silicium]] oder [[Silber]]), ist die Rastertunnelmikroskopie im [[Ultrahochvakuum]] durchzuführen, was einen nicht zu unterschätzenden technischen Aufwand bedeutet. Als Oberflächen, die dagegen unter [[Standardbedingungen|Normalbedingungen]] verwendet werden können, kommen leitfähige Schichtkristalle wie [[Graphit]] oder Vertreter der schichtkristallinen Übergangsmetall-Dichalkogenide wie [[Molybdän(IV)-sulfid|Molybdändisulfid]] (MoS<sub>2</sub>), [[Tantal(IV)-sulfid]] (TaS<sub>2</sub>) oder [[Tantal(IV)-selenid]] (TaSe<sub>2</sub>) in Frage. Eine frische, atomar glatte Oberfläche lässt sich bei diesen Schichtkristallen einfach durch Abziehen der obersten Schichten mit einem Klebeband erreichen, da die einzelnen Schichten nur über relativ schwache [[Van-der-Waals-Kräfte|Van-der-Waals-Wechselwirkungen]] verbunden sind.

Die Bewegung der Spitze relativ zur Probenoberfläche wird mit Hilfe von [[Piezokeramik|piezoelektrischen Keramiken]] bewerkstelligt. Diese lassen eine hochpräzise Kontrolle im Sub-Nanometer-Maßstab über angelegte [[elektrische Spannung]]en zu.

Die Sonde selbst besteht meist aus [[Wolfram]], [[Platin]]legierungen oder [[Gold]], wobei die Spitze durch elektrolytisches Ätzen hergestellt wird.

== Messmodi ==


Ein Rastertunnelmikroskop arbeitet mit einem Abstand der Spitze von der Probe bzw. mit einer [[Auflösungsvermögen|Auflösung]], die geringer als die Wellenlänge der Tunnelelektronen (vergleiche [[Materiewelle]]) sind. Wird eine [[elektrische Spannung]] (englisch {{lang|en|''bias''}} oder {{lang|en|''tunneling bias''}}) zwischen dem Untersuchungsobjekt und der Spitze angelegt, so kann ein [[Elektrischer Strom|Strom]], der so genannte Tunnelstrom fließen.

Den drei im folgenden beschriebenen Methoden (CHM-, CCM- und STS-Bilder mit Ausnahme der Punktspektroskopie) ist gemein, dass die Messspitze linienhaft über die Probe bewegt wird, bevor sie seitlich versetzt eine benachbarte Linie erfasst. Hieraus ergibt sich ein Linienraster auf der Oberfläche.

=== Modus konstanter Höhe ===
[[Datei:Constant height.svg|mini|Die Höhe der Spitze wird konstant gehalten, die Variation des Tunnelstroms wird aufgezeichnet. Es besteht Crash-Gefahr durch grobe Strukturen.]]

Durch CHM (engl. {{lang|en|''constant height method''}}) folgt die Spitze einem vorher vorgegebenen Höhenprofil, ohne dass der Probe-Spitze-Abstand durch eine Regelschleife nachreguliert wird. Parallel wird zu jedem Rasterpunkt der Tunnelstrom aufgezeichnet. Dadurch sind direkte Rückschlüsse auf Höhenabhängigkeiten des Tunnelstroms möglich als auch Messartefakte durch die Rückkopplungsschleife im CCM vermeidbar.

Die wesentliche Stärke von CHM liegt in der hohen Abtastrate, die nun nicht mehr durch die Bandbreite der Rückkopplungsschleife, sondern durch die Bandbreite zum Auslesen des Tunnelstroms begrenzt ist.

Vorteilhaft ist die Verwendung von CHM bei der Studie von thermisch induzierter Mobilität von Einzelatomen, chemischen Prozessen, oder von Molekülen bei hohen Prozessgeschwindigkeiten. In all diesen Fällen ändert sich die lokale Geometrie und kann innerhalb von Differenzbildern von schnell aufeinanderfolgenden Aufnahmen (Video-RTM) leicht identifiziert werden.

Nachteilig ist, dass höhere Anforderungen an den experimentellen Aufbau hinsichtlich der Langzeitstabilität gestellt sind. Langsame mechanische Störungen (zum Beispiel Gebäudeschwingungen, Creep und Drift des Piezoantriebs) können zu deutlichen Überhöhungen im Tunnelstrom führen, bis hin zu Spitze-Probe-Berührungen, die lokal die Oberfläche stören.

=== Modus konstanten Tunnelstroms ===
[[Datei:Constant current.svg|mini|Der Tunnelstrom wird konstant gehalten, die Spitze folgt der Oberfläche.]]

Eine andere Methode der Abbildung ({{lang|en|''constant current method''}}, abgekürzt CCM oder {{lang|en|''constant gap width mode''}}, abgekürzt CGM) beruht darauf, die Höhe der Spitze fortlaufend so zu verändern, dass der Strom konstant bleibt. Dies geschieht über einen elektronischen [[Regelkreis]] zur Abstandsregelung. Somit lässt sich nun über die Position der Spitze das dreidimensionale Bild der Oberfläche direkt bestimmen. Die Auflösung ist bei diesem Verfahren so hoch, dass die atomare elektronische Struktur der Oberfläche sichtbar wird. Der [[Kontrast|Bildkontrast]] darf jedoch nicht direkt als atomare Struktur verstanden werden. Inzwischen sind mindestens neun verschiedene Kontrastmechanismen bekannt, die die Bildentstehung beeinflussen und bei der Interpretation beachtet werden müssen. Allerdings ist die Methode durch den Regelkreis in ihrer Messgeschwindigkeit begrenzt, die Aufnahme eines Bildes dauert in der Regel das Mehrfache von zehn Sekunden bis zu Stunden. In der Praxis wird meistens dieser Modus benutzt.
<!-- das gehört in den Artikel zum Tunneleffekt
Die Breite einer Tunnelbarriere kann über die [[heisenbergsche Unschärferelation]] abgeschätzt werden. Betrachtet man ein [[Elektron]] mit der [[Elektrische Ladung|elektrischen Ladung]] <math>e</math> und der [[Masse (Physik)|Masse]] <math>m_e</math>, welches eine [[Potential (Physik)|Potentialdifferenz]] <math>U</math> durchtunnelt, so ergibt sich unter Verwendung des reduzierten [[Plancksches Wirkungsquantum|planckschen Wirkungsquantums]] <math>\hbar</math> die Ortsunschärfe <math>\Delta x</math> und somit die minimale Breite der Tunnelbarriere:<ref>Markus Bautsch: ''Rastertunnelmikroskopische Untersuchungen an mit Argon zerstäubten Metallen.'' Kapitel 2.1: ''Vakuum-Tunneln – Unschärferelation beim Tunneln.'' Verlag Köster, Berlin 1993, ISBN 3-929937-42-5.</ref>
:::<math>\Delta x \geq \frac{\hbar}{\sqrt{8 m_e e U}}</math>.

Bei einer Potentialdifferenz von 100&nbsp;mV, wie sie bei der Rastertunnelmikroskopie typischerweise vorkommt, ergibt sich aufgrund dieser Beziehung eine kleinste Tunnelbarriere von etwa 0,3&nbsp;nm, was sich gut mit experimentellen Beobachtungen deckt.
-->

=== Spektroskopiemodus ===
Siehe auch [[Rastertunnelspektroskopie]] (engl. {{lang|en|''scanning tunneling spectroscopy''}}, STS).

Da man mit dem Rastertunnelmikroskop, über den Tunneleffekt vermittelt, zunächst die lokale elektronische Struktur der Probenoberfläche misst, kann man es auch direkt zur Bestimmung dieser ausnutzen. Zum Beispiel erscheint ein einzelnes Sauerstoffatom auf einer Oberfläche des Halbleitermaterials [[Galliumarsenid]] mal als Mulde und mal als Hügel, je nachdem, ob man positive oder negative Spannung zwischen Spitze und Probe anlegt.

Man kann das ausnutzen, um entweder die energetischen Lagen der [[Oberflächenzustand|Oberflächenzustände]] an einem Ort der Probe (TS-Spektren an einem Ort, sogenannte ''Punktspektroskopie'') oder die Orte, an denen sich Elektronen bei einer bestimmten [[Energie]] (entspricht der [[Elektrische Spannung|Tunnelspannung]]) aufhalten dürfen (STS-Bilder bei konstanter Tunnelspannung), zu bestimmen. Man muss dazu der Tunnelspannung eine kleine hochfrequente Wechselspannung überlagern und kann dann aus der Ableitung des Stromes nach der Spannung die sogenannte Zustandsdichte errechnen. Die Rastertunnelspektroskopie wird oft bei tiefen Temperaturen von wenigen [[Kelvin]] durchgeführt, da die energetische Auflösung über die [[Fermi-Verteilung]] von der Temperatur abhängt. Der Spektroskopiemodus ist weiterhin in diverse Untermodi unterteilt.

=== Video-Rastertunnelmikroskopie ===
Bei Scanraten ab einem Bild pro Sekunde spricht man von Video-Rastertunnelmikroskopie. Die Bildrate reicht dabei bis zu 50 Hertz. Mit dieser Methode können je nach System [[Diffusion]]sprozesse oder Oberflächenreaktionen in Echtzeit beobachtet werden.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.ieap.uni-kiel.de/solid/ag-magnussen/de/arb3.html |text=Hochgeschwindigkeits-Rastertunnelmikroskopie (Video-RTM) |wayback=20070611131000}}</ref><ref>[http://www.uni-ulm.de/~hhoster/personal/self_assembly.htm Organische Moleküle abgebildet mit Video-RTM] (englisch)</ref><ref>{{Literatur |Autor=Thomas Waldmann, Daniela Künzel, Harry E. Hoster, Axel Groß, R. Jürgen Behm |Titel=Oxidation of an Organic Adlayer: A Bird’s Eye View |Sammelwerk=Journal of the American Chemical Society |Band=134 |Nummer=21 |Datum=2012-05-30 |Seiten=8817–8822 |DOI=10.1021/ja302593v}}</ref>

=== Line-Scan ===
Beim Scannen in einer Linie über einer Phasengrenze oder atomaren Stufe, die sich im dynamischen [[Gleichgewicht (Systemtheorie)|Gleichgewicht]] mit ihrer Umgebung befindet, kann man sogenannte Pseudobilder (auch: X-t-Scan) messen. Aus diesen Messdaten, bei denen die x-Achse eine zeitliche Angabe und die y-Achse eine Ortsangabe ist, kann man wiederum die [[Stufenkorrelationsfunktion]] berechnen, aus der sich Informationen über die Diffusionsprozesse an der entsprechenden Stelle ergeben.

== Abbildungsfehler ==
Eine Reihe von Einflüssen kann die Abbildungsqualität der rastertunnelmikroskopischen Aufnahmen beeinträchtigen oder begrenzen.<ref>Markus Bautsch: ''Rastertunnelmikroskopische Untersuchungen an mit Argon zerstäubten Metallen.'' Kapitel 3.5: ''Abbildungsfehler.'' Verlag Köster, Berlin 1993, ISBN 3-929937-42-5.</ref> Besonders muss auf die Vermeidung von exogenen [[Vibration]]en geachtet werden, wozu beispielsweise [[Schwingungsisolierung]]en eingesetzt werden können. Aber auch die [[Stellglied]]er für die Rasterung können interne Vibrationen verursachen, die durch die geeignete Wahl der [[Eigenfrequenz]]en reduziert werden können. Des Weiteren neigen die eingesetzten piezoelektrischen Materialien sowohl zum [[Kriechen (Werkstoffe)|Kriechen]] als auch zur [[Hysterese]], was Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung verursacht. Diese Materialien haben in der Regel auch eine relativ hohe [[Temperaturdrift]], so dass die Temperatur der gesamten Anordnung während einer Messung möglichst hinreichend konstant gehalten werden sollte. Das [[Rauschen (Physik)|Rauschen]] des Tunnelstroms begrenzt die Genauigkeit der Höhenbestimmung. Daher werden möglichst rauschfreie [[Operationsverstärker#Strom-Spannungs-Wandler|Strom-Spannungs-Wandler]] mit der erforderlichen [[Bandbreite]] für die auftretenden Frequenzen eingesetzt. Auch die Ablenkspannungen der Aktoren müssen die erforderlichen Genauigkeiten in Hinsicht auf [[Linearität (Physik)#In der Elektrotechnik|Linearität]] und [[Latenzzeit (Technik)|Verzögerungszeit]] aufweisen.

[[Datei:Geisterbild.jpg|mini|Geisterbild bei einer rastertunnelmikroskopischen Aufnahme einer 75&nbsp;nm × 75&nbsp;nm großen Kupferoberfläche]]

Beim Einsatz von doppelten und mehrfachen Tunnelspitzen kann der Punkt, an dem der Tunnelstrom fließt, zwischen einzelnen Spitzen wechseln, was dann zum Beispiel auch zum mehrfachen, aber versetzten Rastern derselben Probenfläche führen kann. Die gegebenenfalls entstehenden [[Geisterbild]]er zeichnen sich durch [[Parallelität (Geometrie)|parallele]] Strukturen aus.

== Manipulation ==
[[Datei:Cens nanomanipulation3d Trixler.jpg|mini|RTM-Nanomanipulation einer [[Selbstassemblierung|selbstassemblierten]] [[PTCDA]]-Moleküllage auf [[Graphit]], in die das Logo des [[Center for NanoScience]] (CeNS) geschrieben wurde.]]
Eine weitere Anwendung des Rastertunnelmikroskops ist die gezielte Veränderung eines Objektes.

Hierbei ist zwischen verschiedenen Veränderungen zu unterscheiden, zwischen der Verschiebung (laterale und vertikale Manipulation) und der Modifikation von Objekten (Dissoziation und strukturelle Modifikation, insbesondere für molekulare Systeme). Dabei werden folgende Prozesse verwendet: Aufbrechen von Bindungen durch lokales Erhitzen und Verschiebung durch Potentialänderung:

Lokales Erhitzen: Insbesondere bei Systemen mit kovalenten Bindungen zum Beispiel innerhalb von Molekülen oder Silicium-Wasserstoff-Bindungen, können Schwingungsmoden durch die tunnelnden Elektronen angeregt werden. Durch die Akkumulation dieser Energie kann letztendlich eine Bindung aufgebrochen werden (bzw. auch geschlossen werden). Da die Lebensdauer entsprechender Anregungen meistens sehr gering sind (fs-ms), kann eine Energieakkumulation durch entsprechend hohe Ströme erreicht werden (Anm. 1&nbsp;nA ~&nbsp;0,1&nbsp;ns zeitlicher Abstand zweier tunnelnder Elektronen).

Potentialänderung: Zur Verschiebung von Objekten reicht aber auch schon die attraktive oder repulsive Wechselwirkung der Spitze zum Objekt durch dessen Potential. Dabei kann das Potential zusätzlich durch die angelegte Tunnelspannung moduliert werden. Entsprechend kann man bei attraktiver Wechselwirkung Objekte ziehen, bei repulsiver schieben. Bei hinreichender Annäherung der Spitze an das Objekt kann zusätzlich ein Transfer des Objektes von der Probenoberfläche an die Spitze erzeugt werden. In einigen Fällen ist auch der Rücktransfer über eine zusätzliche Verwendung der Tunnelspannung möglich und man spricht von vertikaler Manipulation.

Mit Hilfe dieser Methoden wurde das so genannte atomare Schreiben durchgeführt, das Schriftzüge wie [[IBM]], Logos einzelner [[Hochschule]]n oder Landkartenskizzen mit einzelnen Atomen auf Oberflächen darstellt.

Auf dem Gebiet der [[Magnetspeicher|magnetischen Datenspeicherung]] hat [[IBM]] ein Scanning-Tunnelmikroskop entwickelt, das bei sehr niedrigen Temperaturen funktioniert (≈&nbsp;4&nbsp;[[Kelvin|K]]). Damit sollen erfolgreiche Versuche durchgeführt worden sein, einzelne Atome in ihrer [[Elektronenspin|Spin]]-(magnetischen)-Ausrichtung in einer [[Magnetismus|Magnetschicht]] zu verändern und gezielt zu beeinflussen. Die Methode wird [[Spin-Anregungs-Spektroskopie]] (''Spin-Excitation-Spektroskopie'') genannt.

== Geschichte ==


Das erste erfolgreiche Experiment zum Nachweis eines abstandsabhängigen Tunnelstromes konnte am 18. März 1981 im [[IBM Research – Zurich|IBM-Forschungslabor]] in Rüschlikon (CH) durchgeführt werden. Die beiden Physiker [[Gerd Binnig]] (Deutschland) und [[Heinrich Rohrer]] (Schweiz), die das Experiment durchführten und das Rastertunnelmikroskop letztlich auch zum einsetzbaren Instrument machten, erhielten hierfür 1986 den [[Nobelpreis für Physik]]. Ferner waren auch [[Christoph Gerber]] und [[Edmund Weibel]] an der Entwicklung beteiligt.

Es gibt aber schon frühere Arbeiten auf diesem Gebiet, in denen die wesentlichen Aspekte eines RTM/STM demonstriert wurden – insbesondere das Auftreten eines Tunnelstromes. Dieses Gerät wurde von Russel Young, John Ward und Fredric Scire Ende der 1960er Jahre als sog. ''Topografiner''<ref>{{Literatur |Autor=Russell Young, John Ward, Fredric Scire |Titel=The Topografiner: An Instrument for Measuring Surface Microtopography |Sammelwerk=Review of Scientific Instruments |Band=43 |Nummer=7 |Datum=1972-07 |Seiten=999–1011 |DOI=10.1063/1.1685846}}</ref> entwickelt. Es gab jedoch bürokratische und technische Schwierigkeiten, beispielsweise störten die Vibrationen der Klimaanlage die Messungen. Das Nobelpreiskomitee erkannte jedoch später ihre Leistungen an.

Das Rastertunnelmikroskop ist der Vater aller anderen [[Rastersondenmikroskopie|Rastersondenmikroskope]]. In der Folgezeit wurden vor allem das [[Rasterkraftmikroskop]] ({{lang|en|''atomic force microscope''}}, AFM) und das [[Optisches Rasternahfeldmikroskop|optische Rasternahfeldmikroskop]] ({{lang|en|''scanning near-field optical microscope''}}, SNOM) entwickelt, welche sich einer anderen atomaren Wechselwirkung bedienen. Die Entwicklung aller dieser [[Rastersondenmikroskopie|Rastersondenmikroskope]] war ein wesentlicher Schritt in Richtung der [[Nanowissenschaften]], da man mit ihnen auf recht einfache und vergleichsweise preiswerte Art und Weise nanoskopische Objekte (Objekte, die kleiner sind als die Lichtwellenlänge von 400 bis 800&nbsp;nm) beobachten und darüber hinaus auch manipulieren kann.

Ferner hat die Rastertunnelmikroskopie wesentlich zur Veranschaulichung der [[Quantenmechanik]] beigetragen. Anfang der 1990er Jahre wurden sogenannte [[Quantum Corral]]s erzeugt und gemessen. Quantum Corrals sind einfache geometrische Quantensysteme auf Oberflächen. Anhand dieser Quantum Corrals konnte extrem anschaulich die Analogie zwischen [[Materiewelle|Elektronenwellen]] und [[Wasserwelle]]n dargestellt werden, was eine bis dahin nicht vorhandene direkte Bestätigung der Quantenmechanik im Realraum ist. Die Abbildungen dieser Quantum Corrals gehen inzwischen um die Welt: Sie sind die am meisten dargestellten RTM-Bilder in Büchern und darüber hinaus auch in Tageszeitungen zu finden. Solche Bilder, ihre Interpretation und Wirkung sind inzwischen sogar Forschungsgegenstand der [[Bildwissenschaft]]en (vergleiche [[Horst Bredekamp]]) und der [[Kunstgeschichte]].

Die Rastertunnelmikroskopie ist wie die optische Mikroskopie oder die Rasterelektronenmikroskopie eine im Realraum abbildende Technik, die sich nur in der Reichweite der dabei ausgenutzten physikalischen Prozesse unterscheidet. Daher eignet sich die Rastertunnelmikroskopie insbesondere, um atomare Prozesse der [[Oberflächenphysik]] und der [[Oberflächenchemie]] (Nobelpreis für Chemie 2007, [[Gerhard Ertl]]) zugänglich zu machen.

Die Rastertunnelmikroskopie unterscheidet sich wesentlich von bisherigen Techniken der Oberflächenphysik und -chemie, die auf Streuprozesse angewiesen waren, wie zum Beispiel der Streuung von Elektronen ([[RHEED]]-Streuung hochenergetischer Elektronen, [[Low-Energy Electron Diffraction|Low-Energy-Electron-Diffraction]]-Rückstreuung niederenergetischer Elektronen) oder der Heliumstreuung. Letztere sind durch die Wellenlänge der genutzten Teilchen begrenzt und bilden durch konstruktive und destruktive Interferenz nur periodische Strukturen ab. Dabei ist insbesondere der Zugang zu Effekten an nichtperiodischen Strukturen, insbesondere Defekten an Störstellen oder atomaren Stufen, wie sie gerade für katalytische Prozesse eine wesentliche Rolle spielen, sehr unvollständig.

== Abwandlungen der Rastertunnelmikroskopie ==
* [[Ballistische Elektronenemissionsmikroskopie]]
* [[Elektrochemische Rastertunnelmikroskopie]]
* [[Lichtemissions-Rastertunnelmikroskopie]]
* [[Rastertunnelpotentiometrie]]
* [[Spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie]]

== Siehe auch ==
* [[Transmissionselektronenmikroskop]] (TEM)
* [[Rastertransmissionselektronenmikroskop]] (STEM)

== Literatur ==
* Russell Young, John Ward, Fredric Scire: ''The Topografiner. An Instrument for Measuring Surface Microtopography''. In: ''Review of scientific instruments, with physics news and views''. American Institute of Physics, Lancaster PA, 43, 1972, {{ISSN|0034-6748}}, S. 999.
* {{Patent|Land=CH|V-Nr=643397|A-Datum=1979-09-20|Titel=Scanning apparatus for surface analysis using vacuum-tunnel effect at cryogenic temperatures (Gerät zur rasterartigen Oberflächenuntersuchung unter Ausnutzung des Vakuum-Tunneleffekts bei kryogenischen Temperaturen)|Anmelder=IBM|Erfinder=[[Gerd Binnig]], [[Heinrich Rohrer]]}}
* {{Literatur
   |Autor=G. Binnig, H. Rohrer, Ch Gerber, E. Weibel
   |Titel=Tunneling through a controllable vacuum gap
   |Sammelwerk=Applied Physics Letters
   |Band=40
   |Nummer=2
   |Datum=1982-01-15
   |Seiten=178–180
   |DOI=10.1063/1.92999}}
* {{Literatur
   |Autor=G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel
   |Titel=Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy
   |Sammelwerk=Physical Review Letters
   |Band=49
   |Nummer=1
   |Datum=1982-07-05
   |Seiten=57–61
   |DOI=10.1103/PhysRevLett.49.57}}
* {{Literatur
   |Autor=G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel
   |Titel=7 × 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space
   |Sammelwerk=Physical Review Letters
   |Band=50
   |Nummer=2
   |Datum=1983-01-10
   |Seiten=120–123
   |DOI=10.1103/PhysRevLett.50.120}}
* C. Hamann, M. Hietschold: ''Raster-Tunnel-Mikroskopie''. Akademie Verlag, Berlin 1991, ISBN 3-05-501272-0.
* C. Julian Chen: ''Introduction to Scanning Tunneling Microscopy''. Oxford University Press, Oxford 1993, ISBN 0-19-507150-6. (englisch)
* [[Roland Wiesendanger]]: ''Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy – Methods and Applications''. Cambridge University Press, Cambridge 1994, ISBN 0-521-42847-5. (englisch)
* {{Literatur
   |Autor=B. Voigtländer
   |Titel=Scanning Probe Microscopy
   |Verlag=Springer
   |Datum=2015
   |ISBN=978-3-662-45239-4
   |DOI=10.1007/978-3-662-45240-0}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Scanning tunneling microscope|Rastertunnelmikroskop}}
{{Wikibooks|Betriebsanleitung für das Schüler-RTM|Betriebsanleitung für ein RTM (insbesondere im Schulunterricht)}}
* [http://www.drillingsraum.de/gerd-binnig/gerd-binnig-2.html Nobelpreisträger und Erfinder des Rastertunnelmikroskops Gerd Binnig über Funktionsweise, Entwicklungsprozess und Anwendungen] vom 18. August 2010
* [http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/binnig-lecture.html Nobelvorlesung von G. Binnig und H. Rohrer] (englisch)
* [https://www.fz-juelich.de/en/pgi/pgi-3/groups/research/multi-tip-spm-instrument-development/a-scanning-tunelling-microscope-filmed-during-operation-by-an-electron-microscope Rasterelektronenmikroskop filmt Rastertunnelmikroskop beim Scannen] (MPG, AVI)
* [http://www.nano.geo.uni-muenchen.de/SW/images/zoom_de.html Zooming in Nanometerstrukturen] (Animation aus RTM-Bildern)
* {{dmoz|Science/Instruments_and_Supplies/Laboratory_Equipment/Microscopes/Scanning_Probe_Microscopes/|Hersteller von Rastertunnelmikroskopen}} (englisch)
* [https://www.youtube.com/watch?v=ihw_2g9AwiU 3D-Animation einer RTM-Spitze, die eine Oberfläche scannt]
* [http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/corral.html Bildergalerie zu den Quantum Corrals]
* {{TIBAV |394 |Linktext=Experiment der Woche: Was ist ein Rastertunnelmikroskop? |Herausgeber=LUH |Jahr=2011 |DOI=10.5446/394 }}

== Einzelnachweise ==
<references />

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{{Lesenswert |17. März 2007 |29480789}}

[[Kategorie:Oberflächenphysik]]
[[Kategorie:Oberflächenchemie]]
[[Kategorie:Quantenmechanik]]
[[Kategorie:Mikroskopisches Verfahren]]
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