STM Abbildung von Eiseninseln auf einer Kupferoberäche bei niederen Temperaturen

Transkript

1 STM Abbildung von Eiseninseln auf einer Kupferoberäche bei niederen Temperaturen Christoph Gammer Andreas Grill 1 Einleitung Bei der STM (Scanning Tunneling Microscopy / Rastertunnelmikroskopie) wird eine metallische Spitze über die Oberäche des zu untersuchenden Objekts gebracht und bei einer Entfernung von der Gröÿenordnung nm wird der Tunnelstrom zwischen Spitze und Objekt gemessen. Der eigentliche Messvorgang ist hiermit beschrieben. Jedoch gibt es mehrere Methoden diesen Messvorgang einzusetzen und mit moderner ( 1980: Gerd Binning und Heinrich Rohrer, Schweiz) Technologie zu kombinieren. Der Messapparat (Spitze, Tunnelstromverstärker, Strommessgerät) wird mit einem Regelkreis, einer Piezosteuerung und einem Darstellungsgerät (Computer) verbunden. Die Piezosteuerung wurde früher mit einem Piezo-Dreibein (x,y... horizontale Bew.,z vertikale Relief-Bewegung) realisiert. Heute verwendet man wegen der hohen z-steigkeit bei groÿem Scanbereich eher Röhrchenscanner, welche eine äuÿere, viergeteilte Hülle besitzen, zwei für die x- und zwei für die y-richtung. Im inneren bendet sich ein weiterer Zylinder für die Bewegung in der z-richtung. Der Regelkreis hält entweder die Höhe konstant (Regelkreis nicht benötigt), oder er hält den Tunnelstrom konstant, indem er in die z-komponente der Piezosteuerung eingreift. Vom Computer wird die jeweilige Information (Strom oder Höhe) aufgenommen, gespeichert und grasch dargestellt (meist als Bild in Grauwerten). In den Graken werden tiefe Bereiche schwarz und höhere Bereiche weiÿ dargestellt. 1

2 Auf diese Weise können atomare Dimensionen abgebildet werden. 2 Experiment Bei diesem Experiment im Zuge des Fortgeschrittenenpraktikums "Moderne mikroskopische Methoden"wurde ein eben solches Gerät innerhalb eines Ultrahochvakuumbereichs verwendet Ziel Beobachtung des Verhaltens von Eisenatomen auf einer stark gekühlten Kupferoberäche Durchführung, Ergebnis Die saubere Kupferoberäche (von Eisen gröÿtenteils gesäubert) wurde vor der Untersuchung zur Säuberung stark erhitzt. Danach wurden relativ groÿ- ächige Scans durchgeführt, auf welchen Stufenstrukturen der Kupferäche zu erkennen sind. Auÿerdem sind die Stufen durch Schraubenversetzungen beendet. 2

3 (Dauer des Bildeinzugs : 1.9 min, Bias: V, Tunnelstrom: 0.80 na, Scangröÿe: 400 nm) Nach Einschränkung des Grauwertebereichs der Aufnahmen lieÿen sich auch Strukturen/Flecken innerhalb einer Ebene darstellen, welche vermutlich Spuren von Eisen sind. 3

4 Es wurden in diesem Zustand auch Bilder mit dem Ziel atomarer Auösung der Kupferoberäche aufgenommen. 4

5 (Dauer des Bildeinzugs : 0,7 min, Bias: -0,0022 V, Tunnelstrom: 0.98 na, Scangröÿe: 10 nm) Danach wurde die Kupferprobe in den Bereich von 150 K gekühlt und es wurden Eisenatome aufgebracht. In diesem Zustand wurden Aufnahmen in der Gröÿenordnung von 100 nm bis zu 10 nm gemacht. 5

6 (Dauer des Bildeinzugs : 1,0 min, Bias: -1 V, Tunnelstrom: 0.10 na, Scangröÿe: 50 nm) Bei der letzten Aufnahme konnte eine statistische Untersuchung der Gröÿe der Eiseninseln durchgeführt werden. Dabei wurde (automatisch) die Gröÿe jeder Insel berechnet und in ein Diagramm (unten) eingetragen. Das Diagramm zeigt die Anzahl der Inseln in Abhängigkeit des Gröÿenparameters. Hierbei lässt sich eine gauÿkurvenartige Verteilung (mit dem Maximum um 115) beobachten, die drei weitere Unterstrukturen erkennen lässt (mit den Maxima bei 100, 115 und 130). Daraus berechnen sich drei Vorzugsradia mit 0,47 nm, 0,50 nm, und 0,55 nm. (Gröÿenverteilung der Eiseninseln (Anzahl/Gröÿe(Fläche) in px)) 6

7 In weiterer Folge suchten wir Bereiche mit gröÿeren Inseln um Strom- Spannungskennlinien davon aufzunehmen. Dabei wird an einem bestimmten Punkt der Oberäche die Spannung variiert und der jeweils zugehörige Strom gemessen. Dieses Verfahren funktioniert optimal mit einem Minimum an Drift. Leider war diese während unserer Messung teilweise so groÿ, dass sich bei einem Bildbereich von 20 nm relevante Strukturen schnell aus dem Aufnahmebereich entfernten. Durch die Dauer der Strom-Spannungs-Messungen an den jeweiligen Punkten verzögerte sich die Bild-/Messungsaufnahme zusätzlich, sodass die Drift deutlich erkennbar wurde. Mithilfe der automatischen Driftkorrektur konnten dann halbwegs akzeptable Aufnahmen erzielt werden. 7