Rastersondenmikroskopie

Seit der Einführung von der Rastertunnelmikroskopie (STM) 1981 von Binnig und Mitarbeiter [1] hat es eine Vielzahl von methodischen Erweiterungen gegeben, um über die atomare Auflösung hinaus physikalisch-chemische Eigenschaften von Probenoberflächen zu untersuchen.

 Abb. 1a) Si(111), 300 nm              Abb. 1b) HOPG, 5 nm

Abb. 2) Rb2ZnCl4, dH = 0.6 nm

 Abb. 3) Ag60Br-Na40Br, 1500nm, links Topographie-,
              rechts Spektroskopiemessung


Eine der ersten Weiterentwicklungen war 1986 das Rasterkraftmikroskop (SFM) [2]. Es ist vom prinzipiellen Aufbau mit einem STM vergleichbar, jedoch wird anstelle einer Spitze zur Messung des Tunnelstroms über elektrisch leitende Oberflächen die Kräfte von Atomen auf eine, an einem Biegebalken befestigte Spitze gemessen. Mit diesem Verfahren lassen sich nahezu alle Materialien untersuchen, auch Isolatoren oder flüssige Substanzen an Luft. Im sogenannten non-contact-Messmodus, bei dem die Oberfläche bei der Messung durch eine schwingende Spitze nicht berührt wird, kann über die Änderung der Resonanzfrequenz auf die Kraftwechselwirkung zurückgeschlossen werden. Mit dem in unserer Arbeitsgruppe eingesetzten UHV VT_AFM von der Firma Omicron ist es möglich, im Vakuum STM- und AFM-Funktionen in einem Experiment in einem Temperaturbereich von 30° K bis 500° K zu vereinigen.

Abb.1) zeigt STM-Aufnahmen einer Si(111)-Schicht und einer HOPG-Probe. Während die Si-Probe nach Einschleusen in die Vakuumkammer vor der Messung thermisch in mehreren Schritten präpariert werden muss, ist die HOPG-Oberfläche nach Abziehen der ersten Monolagen an Luft direkt im UHV messbar.

Abb. 2) zeigt non-contact Messungen an Rb2ZnCl4-Stufen. Der Höhenunterschied dH an einer Stufe entspricht einer halben Gitterkonstanten in Richtung c.


Bei einer entmischten AgxNa1-xBr-Probe (Abb.3), wurden gleichzeitig neben der Topographie auch die einzelnen Phasen mit unterschiedlicher, chemischer Zusammensetzung sichtbar gemacht. Der Kontrast entsteht dabei aus einem komplexen Zusammenhang von unterschiedlichen Kräften zwischen der Probenspitze und der Oberfläche.




[1] G. Binnig, H. Rohrer, C. Gerber und E. Weibel, 1982, ‘‘Surface studies by scanning tunneling microscopy’’, Phys. Rev. Lett. 49, 57–61
[2] G. Binnig, 1986, ‘‘Atomic Force Microscope and Method for Imaging Surfaces with Atomic Resolution’’, US Patent No. 4,724,318  



 
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