Die Rastertunnelmikroskopie ermöglicht es Forschern, die Oberfläche einer leitfähigen Probe Atom für Atom mit ultrahoher Auflösung abzubilden, ohne Elektronenstrahlen oder Licht zu verwenden, und gibt seit fast vierzig Jahren Einblicke in die Materie auf atomarer Ebene. Dieser Blogbeitrag gibt einen Überblick darüber, was die Rastertunnelmikroskopie ist, wie sie funktioniert und wie sie in der Forschung eingesetzt wird.
Was ist die Rastertunnelmikroskopie (STM)?
Die Rastertunnelmikroskopie (STM) ist ein bildgebendes Verfahren, mit dem ultrahochauflösende Bilder auf atomarer Ebene ohne den Einsatz von Licht oder Elektronenstrahlen gewonnen werden können. STM wurde 1981 von zwei IBM-Wissenschaftlern namens Gerd Binnig und Heinrich Rohrer erfunden. Fünf Jahre später erhielten sie für diese Erfindung den Nobelpreis für Physik.
STM war die erste Technik, die in der größeren Klasse der Rastersondenmikroskopie (SPM) entwickelt wurde. Sie ermöglichte es den Forschern damals, wesentlich mehr Details zu erfassen als jede andere Mikroskopie – bis hinunter zu den Atomen und den Abständen zwischen den Atomen. Diese ultrahohe Auflösung ermöglichte es den Forschern, die dreidimensionale Topografie und die elektronische Zustandsdichte leitfähiger Materialien präzise abzubilden und sogar einzelne Atome auf der Oberfläche dieser Materialien zu manipulieren. In den folgenden Jahrzehnten hat das STM den Bereich der Nanotechnologie revolutioniert und spielt weiterhin eine wichtige Rolle in der Grundlagen- und Industrieforschung in einer Vielzahl von Disziplinen.
STM-Bild von hochorientiertem pyrolytischem Graphit (HOPG)
Aufgenommen in Luft mit einem Asylum Research Cypher S Rastersondenmikroskop, das die Fähigkeit zur Auflösung der atomaren Gitterstruktur zeigt. (5 nm Scangröße)
Wie funktioniert STM?
STM ist ein bemerkenswertes und seltenes Beispiel für die Nutzung eines quantenmechanischen Prozesses (Elektronentunneln) in einer realen praktischen Anwendung. Der Begriff „Tunneln“ bezieht sich auf die Situation, in der Elektronen eine Barriere (in diesem Fall einen winzigen Spalt zwischen der Spitze und der Oberfläche) durchqueren, die auf den ersten Blick undurchdringlich zu sein scheint – wie wenn man einen Ball gegen eine Wand wirft. Die Physik, die diese Wechselwirkung zwischen Ball und Wand beschreibt, wird als „klassisches Paradigma“ bezeichnet, und der Ball wird die Wand niemals durchdringen. Elektronen hingegen haben einen eigenartigen wellenartigen Charakter, der sie zu einer „unscharfen“ Wolke macht (im Gegensatz zu einem Ball), so dass sie tatsächlich auf beiden Seiten der Barriere gleichzeitig existieren können und daher eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null haben, die Barriere zu durchqueren, selbst wenn die Barrierenergie höher ist als die Gesamtenergie des Elektrons.
STM funktioniert, indem eine scharfe leitende Sonde sehr nahe an die Oberfläche einer leitenden Probe geführt wird und die Elektronen gezwungen werden, den Spalt zwischen ihnen zu durchqueren. Wenn sich die Spitze nahe genug an der Oberfläche befindet (in der Regel <1 nm entfernt), beginnt die unscharfe Elektronenwolke des ersten Atoms der Spitze und der Oberfläche zu überlappen. Das Anlegen einer Vorspannung zwischen der Spitze und der Oberfläche in dieser Konfiguration erzeugt einen Strom, da die Elektronen dazu gebracht werden, über die überlappende Elektronenwolke durch die Potenzialbarriere von der Spitze zur Oberfläche zu tunneln. Dieser Tunnelstrom ist sehr empfindlich gegenüber dem Abstand zwischen der Sondenspitze und der Oberfläche und variiert exponentiell mit dem Abstand zwischen Spitze und Probe. Während die Spitze die Oberfläche der Probe Zeile für Zeile abtastet, bildet die Intensität des Tunnelstroms die elektronische Zustandsdichte der Probe ab.
Das STM arbeitet in zwei verschiedenen Modi: Modus mit konstanter Höhe und Modus mit konstantem Strom. Der Modus mit konstanter Höhe wird im Allgemeinen verwendet, wenn die Oberfläche der Probe sehr glatt ist. In diesem Modus bleibt die Sondenspitze auf einer bestimmten Höhe, während sie die Probe schnell abrastert. Durch Messung der Intensitätsänderungen des Tunnelstroms als Funktion der (x,y)-Position und der Vorspannung können Forscher ein Bild der elektronischen Zustandsdichte der Probenoberfläche, der Defekte, der Grenzmolekülorbitale usw. erstellen.
Der populärere Modus ist als Konstantstrommodus bekannt. In diesem Modus wird der Tunnelstrom durch ein System mit Rückkopplungsschleife konstant gehalten, das den Abstand zwischen der Spitze und der Oberfläche anpasst. Das heißt, wenn der Tunnelstrom den Zielwert überschreitet, vergrößert das Rückkopplungssystem den Abstand zwischen der Spitze und der Probe; ist der Tunnelstrom geringer als der Zielstromwert, bringt das Rückkopplungssystem die Spitze näher an die Oberfläche der Probe. Das sich daraus ergebende dreidimensionale Abstandsprofil als Funktion der (x,y)-Position kann den Forschern helfen, eine breite Palette von Merkmalen zu messen, einschließlich Oberflächenrauheit, Defekte und die Größe und Konformation von Molekülen auf der Oberfläche.
STM können unter einer Vielzahl unterschiedlicher Umgebungsbedingungen arbeiten. Häufig werden STMs entweder als Umgebungs-STMs oder als Ultrahochvakuum-STMs (UHV) kategorisiert. Umgebungs-STMs arbeiten in der Regel in Luft oder anderen Gasen bei nahezu Raumtemperatur. Mit speziellen isolierten Spitzen können Umgebungs-AFMs auch in Flüssigkeiten betrieben werden. Oxford Instruments Asylum Research bietet Ambient-STM-Funktionen sowohl für unsere MFP-3D-SPMs als auch für unsere Cypher-SPMs an.
UHV-STMs unterscheiden sich natürlich dadurch, dass sie unter sehr hohem Vakuum arbeiten. Dies geschieht häufig in hochspezialisierten UHV-Systemen, in denen die Probe gezüchtet oder geätzt und dann in situ abgebildet wird. Durch den Betrieb im Vakuum können sie in einem sehr weiten Temperaturbereich arbeiten, der von nahe null Kelvin bis über 1000°C reicht. Asylum Research bietet keine UHV STMs an, obwohl die Oxford Instruments Nanoscience-Gruppe UHV-Geräte herstellt, die manchmal mit STMs verwendet werden.
Seit seiner Entdeckung war das STM für wichtige Durchbrüche in der Nanotechnologie verantwortlich und ermöglichte neuartige Forschungen in verschiedenen Disziplinen, darunter Halbleiterwissenschaft, Elektrochemie, Oberflächenchemie und mehr.
Anfänglich wurde das STM zur Charakterisierung der Topologie verschiedener Metalle und zur Beschreibung der atomaren Struktur ihrer Oberflächen eingesetzt. Zum ersten Mal waren die Forscher in der Lage, die Eigenschaften von Materialien auf atomarer Ebene zu erkennen, einschließlich Oberflächenrauhigkeit, Defekte und Oberflächenreaktionsmechanismen. Durch die Untersuchung der Atomgitter von Materialien konnten die Forscher beginnen, Eigenschaften zu verstehen, die für die Herstellung von elektronischen Bauteilen relevant sind, wie z. B. Leitfähigkeit, Verteilungen von Grenzmolekülorbitalen und deren Energien sowie Reaktionsabhängigkeiten von Kristallfacettenausrichtungen, um nur einige zu nennen.
Im Laufe der Jahre wurde das STM für eine Vielzahl von Anwendungen außerhalb der Bildgebung im atomaren Maßstab eingesetzt. Es wurde verwendet, um einzelne Atome auf einer Oberfläche zusammenzusetzen und zu manipulieren. Dies eröffnete neue Perspektiven für die Nanotechnologie, einschließlich der Herstellung von Nanostrukturen wie Quantenkorallen und molekularen Schaltern. Kontakte auf Nanobauteilen können auch mit STM hergestellt werden, indem Metalle (wie Gold, Silber oder Wolfram) in einem bestimmten Muster aufgebracht werden. Forscher haben STM auch eingesetzt, um chemische Reaktionen auszulösen und die anschließenden Reaktionsmechanismen auf molekularer Ebene zu untersuchen.
Ambient STMs werden häufig eingesetzt, um die Struktur von selbstorganisierten Molekülen auf Oberflächen zu untersuchen, da sie oft einzelne Moleküle und sogar submolekulare Strukturen auflösen können. Das folgende Bild zeigt zum Beispiel deutlich einzelne Moleküle von 5-Octadecoxyisophthalsäure in einer selbstorganisierten Monoschicht auf HOPG.
STM-Bild einer selbstorganisierten Monoschicht von 5-Octadecoxyisophthalsäure auf hochorientiertem pyrolytischem Graphit.
Molekulare Modelle sind überlagert, um die molekulare Ordnung hervorzuheben. Abgebildet mit einem Cypher AFM, 15 nm Scan. Die Probe wurde mit freundlicher Genehmigung von Matt Blunt, University of Nottingham, zur Verfügung gestellt.
Kürzlich wurde das Niederstrom-STM auf dem Cypher ES verwendet, um Details auf Einzelmolekülebene in selbstorganisierten Schichten aus Nickel-Octaethylporphyrin (NiOEP) auf HOPG aufzulösen. Die Fähigkeit zur Bildgebung bei niedrigen Strömen ermöglicht eine höhere Auflösung, da das STM mit Tunnelströmen von nur 300 Femtoampere arbeiten kann. Die Bilder unten zeigen STM-Bilder mit konstanter Höhe, aber die vollständige Anwendungsnotiz demonstriert eine ähnliche Auflösung im STM-Modus mit konstantem Strom. Obwohl der Cypher mit STM eine außergewöhnliche Auflösung bietet, ist es erwähnenswert, dass der Cypher mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) im Tapping-Modus mit dieser Auflösung konkurrieren kann.
Bilder mit konstantem STM-Strom des 2D-Gitters von NiOEP auf HOPG
(A) 50-nm-Übersichtsscan, der die NiOEP-Korngrenze (weiße Pfeile), die Zoom-Regionen und das Moiré-Muster zeigt, aufgenommen mit einem 6,4-pA-Sollwert. (B) Gezoomter 10-nm-Bereich, aufgenommen mit einem 300-fA-Sollwert. (C) Gezoomte 5-nm-Region mit sub-nm-Molekularauflösung, aufgenommen mit einem 60-pA-Sollwert. Inset: das CPK-Molekülmodell von NiOEP.