Versuch 6: Raster-Tunnel-Mikroskop (RTM)

Transkript

1 Versuch 6: Raster-Tunnel-Mikroskop (RTM) Von Patrick Fritzsch und Thomas Bauer Versuchstag: Versuchsassistent: Hüve

2 1. Einleitung In diesem Versuch werden Aufnahmen von einer Graphit- und einer Goldoberfläche mit Hilfe eines Raster-Tunnelmikroskop (RTM) gemacht. Das Prinzip des RTM ist noch relativ neu, es wurde erst Anfang der 80er Jahre konstruiert. 2. Funktionsweise des RTM Beim RTM wird eine sehr feine Metallspitze sehr nahe an eine Probenoberfläche herangeführt, bis auf etwa einen nm. Für die Elektronen ist der Aufenthalt zwischen Nadel und Probe klassisch verboten, quantenmechanisch können sie aber durch diese Zone hindurchtunneln. Legt man nun eine sehr kleine Spannung U T (~100mV) zwischen Nadel und Probe an, fließt ein Tunnelstrom von der Größenordnung einiger pa, was natürlich aber auch voraussetzt, dass die Nadel und die Probe leitende Materialien sind. Dieser Tunnelstrom I T hängt sehr stark (exponentiell!) von dem Abstand d zwischen Nadel und Probe ab, genauer gesagt gilt: I c2 T = c1 U T e Dabei ist Φ die Austrittsarbeit der Elektronen aus der Probe bzw. der Nadel, und c1 abhängig von der Elektronendichte. c 2 ist eine materialspezifische Konstante. Um nun ein Bild von der Oberfläche oder der Elektronendichte zu bekommen, muss man mit der Nadel einen Bereich abrastern, man fährt also mit der Nadel Reihe für Reihe die Probe entlang. Das Abrastern stellt jedoch ein weiteres Problem dar, denn die Schritte der Nadel müssen sehr klein sein, um eine vernünftige Auflösung zu erhalten. Dieses Problem wird durch Piezoelemente gelöst. Es handelt sich dabei um Kristalle, wie Quarz oder Bariumtitanat, die durch mechanischen Druck eine innere Ladungsverschiebung erfahren. Man nutzt jedoch den umgekehrten Effekt aus, indem man eine äußere Spannung an den Kristall anlegt, der sich dann zusammenzieht. So erhält man eine sehr kleinschrittige Bewegung der Nadel, da man die Spannung sehr fein variieren kann. Φ d

3 Zusätzlich zu den zwei Piezoelemten die zur Rasterung benötigt werden, steuert ein weiteres Piezoelement den Abstand der Nadel zur Probe. Dieses Piezoelement wird immer vom RTM so eingestellt, dass immer der gleiche Tunnelstrom fließt. Somit erhält man eine Aussage über die Höhe bzw. die Elektronendichte der Probe. Ebenfalls mit einem Piezoelement wird das Problem gelöst, wie die Probe auf einige nm an die Spitze gebracht werden kann. Die Probe wird mit einem Magneten an dem Probenhalter festgehalten. An das Piezoelemt wird nun einfach eine Sägezahnspannung angelegt, d.h. das Element verbiegt sich langsam zur Spitze hin und schnellt durch den rapiden Spannungsabfall der Sägezahnspannung wieder zurück. Um den Reibungseffekt zwischen Probenhalter und Piezoelement noch zu verstärken, wird in seiner Nähe noch ein Magnet montiert. In diesem Versuch wird Graphit und Gold gerastert. Die Graphitprobe von Fremdatomen gereinigt, indem man die oberste Schicht mit einem Klebestreifen abzieht, das Gold kann nicht gereinigt werden. Es wurde unter Vakuumbedingungen auf das Probeplättchen aufgeschmolzen.

4 3. Durchführung Das EasyScan-System besteht aus dem RTM (schwingungsfrei gelagert auf einer Granitplatte mit Gummifüßen), einem PC und der zugehörigen Scan- Elektronik, die als Schnittstelle zwischen RTM und PC dient. Auf dem PC ist die zu EasyScan zugehörige Software installiert. Mit Hilfe dieser Software lassen sich alle Parameter, wie z.b. die Tunnelspannung U T oder die Vergrößerung einstellen. Um mit einer Messung beginnen zu können, muss zuerst eine Spitze für das RTM angefertigt werden. Dazu reinigt man zuerst das gesamte benötigte Werkzeug und ein Stück Pt-Ir-Draht mit Aethylalkohol. Da man eine möglichst spitze Spitze herstellen muss, um eine gute Auflösung zu erzielen, schneidet man nicht einfach mit dem Seitenschneider den Draht ab, sondern zieht gleichzeitig beim unter einem Winkel von etwas 45 abkneifend den Draht nach unten. Der Effekt ist derselbe, als ob man geschmolzenen Glas auseinanderzieht. Die so hergestellte Spitze wird in die dafür vorgesehene Halterung gelegt. Ein kleiner Clip aus Gold hält die Nadel fest an ihren Ort und verbindet die mit der Spannungsquelle. Auf dem EasyScan ist eine kleine Leuchte installiert. Die angezeigte Farbe gibt Informationen über den Tunnelstrom: Orange bedeutet, es fließt kein Strom. Grün bedeutet, es fließt Strom, es kann also mit der Messung begonnen werden. Rot bedeutet, dass die Spitze mit der Probe kollidiert ist, es muss also eine neue Spitze angefertigt werden. Die Probe wird nun auf dem Probenhalter installiert und bis auf ca. einen Millimeter auf die Spitze per Hand herangefahren. Danach steuert man mit dem Piezoelement per Software (Button ) den Probenkörper noch näher an die Spitze heran, bis man nicht mehr sehen kann, wann die Spitze an die Probe stößt. Jetzt drückt man den Button Approach. Der Computer steuert nun den Annäherungsvorgang, bis die Leuchte auf dem EasyScan grün aufleuchtet. Da dieser Vorgang sehr langsam geht, sollte man nicht zu früh Approach benutzen. Die Oberfläche kann nun gescannt werden.

5 4. Auswertung 4.1 Graphit Folgende Bilder wurden mit dem RTM aufgenommen: Bei dieser Aufnahme wurde die z-range verändert, d.h. der Höhenunterschied wurde weiter für diese Oberfläche optimiert.

6 Bei den drei folgenden Aufnahmen sind alle Parameter mit der vorherigen Aufnahme identisch, bis auf die Richtung in die gerastert wird, d.h. das Bild wird nur gedreht.

7 Mit den Aufnahmen soll die theoretische Gitter-Anordnung von Graphit untersucht werden. Der Festkörpertheorie nach hat Grahit folgenden Aufbau: Es gibt also zwei verschiedene Plätze an der Oberfläche. Entweder mit Nachbar im Inneren oder ohne. Die Leitfähigkeit der Atome ohne Nachbar haben ist leicht erhöht, der Tunnelstrom ist dort also größer, somit werden diese Stellen vom RTM heller, in diesem Fall weiß. Grau werden die Plätze im Festkörper dargestellt, welche auch an der Oberfläche sind, aber mit Nachbar im Inneren. Schwarze Stellen hingegen, sind die Mittelpunkte der hexagonalen Verteilung, da dort kein Atom an der Oberfläche vorhanden ist. Die Aufnahme des Graphits ist leider doch nicht so optimal, wie es bei der Versuchsdurchführung den Anschein hatte. Daher fällt es nicht sehr leicht,

8 die hexagonale Form in der Aufnahme wiederzufinden. Im folgenden ist ein Versuch eingezeichnet: Es fällt sofort auf, dass das Hexagon verzogen ist. Mögliche Ursachen werden in der Diskussion am Schluss erörtert. Der Abstand von Atom zu Atom beträgt nach dem eingezeichneten Hexagon zwischen 0,13nm und 0,17nm. Der allgemeine Literaturwert besagt einen Abstand von 0,14nm.

9 4.2 Gold Im Gegensatz zu Graphit hat Gold aufgrund der freien Elektronen im Metall eine gleichmäßige Elektronendichte an der Oberfläche. Daher kann man an einer perfekten, glatten Goldoberfläche nichts sehen. Da es aber fast unmöglich ist, so eine Goldoberfläche herzustellen, kann man mit dem RTM die Verunreinigung studieren. Alle drei folgenden Aufnahmen zeigen den gleichen Ausschnitt jedoch mit einer unterschiedlichen z-range.

10 Man erkennt deutlich die Höhenunterschiede an dieser Goldoberfläche. Diese Höhen und Tiefen können sogar ein Problem beim Rastern ergeben. Stellt man die z-range nämlich zu klein ein, kann es passieren, dass beim Rastern die Spitze durch die Piezoelemente nicht schnell genug aus einem Tal herausgezogen wird und an die Probe stößt. Die Spitze wäre dadurch sofort zerstört und der Meßvorgang müßte abgebrochen werden. 5. Diskussion Die Aufnahme der Graphit-Probe ist aufgrund einer nicht ganz optimalen Spitze nicht so deutlich wie in der Anleitung geworden. Es konnte aber trotzdem die hexagonale Verteilung eingezeichnet werden. Die Verzerrung des Hexagons kann nur einen Grund haben: Die Messkoordinaten waren nicht optimal an die Probenlage angepasst, d.h. die Oberfläche wurde schräg abgerastert. Somit erhält man den gleichen Effekt, als ob man ein Hexagon schräg hält und von oben anschaut: Es erscheint verzerrt. Zur Goldoberfläche läßt sich nur sagen, dass sie wie erwartet wirklich sehr uneben war.