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FP IAlbert-Ludwigs-Universität FreiburgFakultät für PhysikFortgeschrittenenpraktikum I

Rastertunnelmikroskopie

Inhalt

A. Versuchsanleitung: Seite

1. Einleitung ............................................................................................ 2 2. Aufgabenstellung ................................................................................ 3 3. Versuchsdurchführung ........................................................................ 4 4. Vorkenntnisse ..................................................................................... 4

B. Technische Hinweise:

1. Versuchsaufbau (Foto) ....................................................................... 5 2. Gerätebeschreibung............................................................................ 7 3. Anleitung zur Software True-Image for Windows ............................... 7 4. Hinweise zum Ausdrucken der Bilder ................................................. 7 5. Bildmaterial ......................................................................................... 8

D. Literatur:

1. Wissenschaftliche Arbeiten ................................................................ 15 2. Weiterführende Literatur .................................................................... 15

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Rastertunnelmikroskopie FP I

A. Versuchsanleitung

1. Einleitung

Das Rastertunnelmikroskop (Scanning Tunneling Microscopy, STM) ist eine Neuentwicklung zur Untersuchung topographischer Strukturen. Dreidimensio-nale Bilder von Oberflächen mit atomarer Auflösung können mit dieser Unter-suchungsmethode erhalten werden. Grundlage der Rastertunnelmikroskopie ist der quantenmechanische Tunnel-effekt. Eine feine Metallspitze wird mit Hilfe von Piezo-Stellelementen so nahe (# 1nm) an die zu untersuchende Probe herangefahren bis ein Tunnelstromeinsetzt. Die Spitze wird anschließend rasterförmig über die Oberfläche bewegt. In einem der Arbeitsmoden des STM wird über einen elektronischen Regelkreis der Abstand zwischen Spitze und Probe konstant gehalten. Das Signal des Regel-kreises liefert ein direktes Abbild der Oberfläche. Bei sehr ebenen Proben brauchtder Abstand der Spitze zur Probenoberfläche nicht nachgeführt werden und dieRasterung kann schneller erfolgen. In diesem Arbeitsmodus registriert man dieÄnderung des Tunnelstroms.Die Tunnelmikroskopie bedarf keiner Vakuumbedingungen, sie kann auch inflüssigen Medien durchgeführt werden. Die laterale Auflösung des STM beträgt füreine einatomige Spitze etwa 0.1 - 1 nm, für die vertikale Auflösung wurden schonWerte von 1 pm erzielt, abhängig von mechanischen und elektrischen Störungen.Diese hohe Auflösung wird mit keiner anderen Technik erzielt. Das wesentliche Problem bei der Tunnelmikroskopie ist die Präparation der Metall-spitze. Sie ist mehr oder weniger dem Zufall überlassen. Eine''Multi-Tip''-Metall-spitze führt so zu einer anderen periodischen Struktur als eine ''Single-Tip''-Spitze.Artefakte treten auf, wenn der Regelkreis durch falsche Einstellung oder zuschnelle Scan-Geschwindigkeit übersteuert wird. Die Hysterese des Piezo-Stell-elementes und die thermische Ausdehnung sind weitere Fehlerquellen derRastertunnelmikroskopie.

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Rastertunnelmikroskopie FP I

2. Aufgabenstellung:

Ziel dieses Versuches ist es, sich mit den Prinzipien der Rastertunnelmikroskopievertraut zu machen. Dafür sollen folgende Proben untersucht werden: 2.1. Untersuchung eines mit Gold beschichteten Gitters. Veranschaulichung der streng delokalisierten Elektronen des Metalls. Eichung des Scan-Bereiches des Piezo-Stellelementes. 2.2. Auflösung und Ausmessung der atomaren Oberflächenstruktur des Halbmetalls Graphit. 2.3. Auflösung und Ausmessung der atomaren Oberflächenstruktur des Halbleiters MoS2. Dabei soll zwischen den beiden unterschiedlichen Atomsorten unterschieden werden können.

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3. Versuchsdurchführung:

Siehe Zulassungsarbeit von D.Ritzmann: Einrichtung eines Versuchs:Rastertunnelmikroskopie für das Fortgeschrittenen-Praktikum 2Teil 4. Versuchsdurchführung Seite 32 - 42

4. Vorkenntnisse:

4.1. Grundlagen der Festkörperphysik, Fermi--Energie, Fermi--Gas, Austrittsarbeit, chemische Bindung in Festkörpern, lokalisiete und delokalisierte Elektronen. 4.2. Quantenmechanischer Tunneleffekt, Tunneleffekt bei Halbleitern, Tunnelstrom. 4.3. Prinzipien der Rastertunnelmikroskopie. Arbeitsmoden des Tunnelmikroskops. 4.4. Struktur von Graphit und MoS2.

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Rastertunnelmikroskopie FP I

B. Technische Hinweise:

1. Versuchsaufbau (FOTO)

1.1 STM- Kopf

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Rastertunnelmikroskopie FP I

1.2 STM-Steuergerät

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2. Gerätebeschreibung

Siehe 3. der Zulassungsarbeit: Gerätebeschreibung, S. 22 bis 32

3. Anleitung zur Software True-Image for Windows

Siehe Ordner am Versuch

4. Hinweise zum Ausdrucken der Bilder

Siehe Ordner am Versuch

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5. Bildmaterial

Goldprobe: Zu hohe Scan-Geschwindigkeit ( Regelkreis kann nicht schnell genug reagieren )

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Rastertunnelmikroskopie FP I

Goldprobe: Zu hohe Scan-Geschwindigkeit

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Rastertunnelmikroskopie FP I

Goldprobe: Richtige Scan-Geschwindigkeit ( langsam )

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Goldprobe: Übersteuerter Regelkreis

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Graphitprobe: Gut atomar aufgelöst ( ungefiltertes Bild )

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Graphitprobe: Gefiltertes Graphit Bild in 3d Darstellung

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Graphitprobe: Gefiltertes Graphit Bild in 3d Darstellung

Siehe 5. der Zulassungsarbeit: Eigene Messungen, S. 43 bis 50

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C. Literatur:

1. Wissenschaftliche Arbeiten:

Zulassungsarbeit von D. Ritzmann: Einrichtung eines Versuchs: Rastertunnelmikroskopie für das Fortgeschrittenen-Praktikum 2 a. Zur Rastertunnelmikroskopie: J.Tersoff u. D.R.Hamann: Theory of the scanning tunneling microscope,

Phys.Rev.B 31, 1985, 805 b. Zur Struktur von Graphit, Gold und MoS2: S.Park u. C.F.Quate: Tunneling microscopy of graphite in air, Appl.Phys.Lett.48, 1986, 112; V.M. Hallmark u.a.: Observation of Atomic Corrugation on Au(111) by Scanning Tunneling Microscopy, Phys.Rev.Lett. Vol. 59, No. 25, 1987, 2879

2 M.Weimer u.a.: Tunneling microscopy of 2H-MoS : A compound semiconductor surface, Phys.Rev.B 37, 1988, 4292. 2. Weiterführende Literatur:

a. Lehrbücher der Festkörperphysik:

1. Ch.Kittel: Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg 2. H.Ibach u. H.Lüth: Festkörperphysik, Springer; 3. M. Henzler u. W.Göpel: Oberflächenphysik des Festkörpers, Teubner b. Zur Rastertunnelmikroskopie: 1. D.A.Bonnell: Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy, VCH, 1993, (FB 73) 2. H.-J.Güntherodt u. R.Wiesendanger: Scanning Tunneling Microscopy,

Band I und II, Springer, 1992, (FMF-Bibliothek: PH 211).