I. Physikalisches Institut der JLU Giessen
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Forschungsbereich Rastersondenmikroskopie

Prof. Dr. Bruno K. Meyer       Dr. Georg Lasnitschka

Rastersondenmikroskopie

Die Rastersondenmikroskopie (scanning probe microscopy, SPM oder auch SXM) beschäftigt sich mit der Analyse von Oberflächenstrukturen und -eigenschaften bis zum atomaren Bereich. Sie wird dort eingesetzt, wo herkömmliche Methoden wie die Lichtmikroskopie auf Grund von Beugungseffekten nicht mehr anwendbar sind. Darüber hinaus lassen sich, abhängig vom angewendeten Verfahren, eine Vielzahl von zusätzlichen Eigenschaften der Proben bestimmen, z.B. Oberflächenrauhigkeit, elektronische Zustandsdichten und Bandstrukturen in Halbleitern, Reibungunterschiede, Oberflächenmagnetisierungen, Elastizitätsmodule. Man bezeichnet entsprechend ein Rastersondenmikroskop für die Messung der Eigenschaft X als SXM.

Den eigentlichen Durchbruch verdanken die heute verwendeten Anlagen dem Einsatz moderner Elektronik und Regeleinrichtungen sowie der Computertechnik. Vor allem durch diese Komponenten wurde eine effiziente Datenaufnahme und Bildbearbeitung ermöglicht. Für die Grundsteinlegung der meist auf einem einfachen Messprinzip beruhenden Rastersondenverfahren sorgten G. Binning und H. Rohrer (Nobelpreis 1986) durch den Bau des ersten Rastertunnelmikroskops. Die Rastersondenmikroskopie hat seitdem einen rasanten Aufschwung erlebt. Sie wird auch zukünftig mit neuen Methoden interessante, tiefe Einblicke in die Welt der Nanostrukturen und Atome eröffnen.


Am I. Physikalischen Institut in Gießen stehen zwei Rastertunnelmikroskope (RTM oder STM, Scanning Tunneling Microscope) und ein Rasterkraftmikroskop (RKM oder AFM, Atomic Force Microscope) zur Verfügung.

  • AFM-Meßprinzip
    Die Messsonde an der Spitze des Hebelarms scannt die Oberfläche der Probe rasterförmig ab, ähnlich wie bei einem "Plattenspieler". Die Auslenkung wird über ein Fabry-Perot-Interferometer sichtbar gemacht, welches aus der Rückseite des Hebelarms und dem Ende einer Glasfaser (Lichtleiter) besteht (siehe gestrichelte Linie im Bild rechts). Die Messspitze wird aufgrund der Topographie der Probe "verbogen". Die Verstimmung des Interferometers dient als Störgröße für einen elektronischen Regelkreis, dessen Aufgabe es ist, die Spitze mit Hilfe eines Röhrchenpiezos in den Soll-Abstand zurückzuführen. Damit greift am Hebelarm eine konstante Kraft an (constant force mode). Das Regelsignal dient zur Darstellung der Topographie der Probenoberfläche.

  • STM-Messprinzip
    Mit dem STM lassen sich elektronische Zustände leitender Probenoberflächen untersuchen. Hier besteht die Messsonde aus einem metallischen Draht, der in einem Abstand <1 nm über die Probe gerastert wird. Zwischen Probe und Tunnelspitze wird eine Spannung angelegt, die nicht unterhalb der Elektronen-Austrittsarbeit von Oberfläche und Spitze liegen muß. Bei genügend kleinem Abstand zwischen Drahtende und Probe kann aufgrund des quantenmechanischen Tunneleffekts ein Strom registriert werden. Er nimmt exponentielle mit dem Abstand ab. Seine Änderung während des Abrasterns dient als Regelgröße. Wie beim AFM wird zur Abbildung der Topographie das Drahtende in einem konstanten Abstand über die Probe verfahren (Constant-Current-Mode, CCM-STM). Gerade im Ultrahochvakuum (UHV) sind dabei Auflösungen bis zu subatomaren Strukturen möglich (siehe Bilder).

  • Elektronische Reglung
    Das allgemeine Messprinzip beruht bei SXM-Mikroskopen auf einem Abrastern der Probenoberfläche (x-y-Scan) und der gleichzeitigen Aufnahme von Oberflächeneigenschaften wie Topographie, Leitfähigkeit, Reibung oder ähnliches. Realisiert wird dieser Vorgang durch ein Piezo-Stellelement, welches mit der Messspitze verbunden ist (Sonde) und einem elektrischen Regelkreis, der für ein Nachjustieren in vertikaler Richtung sorgt. Der SXM- Detektor liefert dem Regler ein Eingangssignal. Meist wird das Ausgangssignal, die Stellgröße des Reglers, für die Darstellung der Messgröße durch einen Computer verwendet.
  • Schwerpunkte der Untersuchungen am I. Physikalischen Institut Gießen:
    Vorwiegend werden die Oberflächenbeschaffenheit (Topographie, elektronische Struktur) von Festkörperoberflächen untersucht. Das Hauptanwendungsgebiet sind halbleitende Oberflächen (z.B. Gruppe-III-Nitride, CuInSe2, VO2), die zum größten Teil im Institut mit verschiedenen Herstellungstechniken (Epitaxieverfahren, Sputtern usw.) produziert werden. Somit bieten sowohl AFM als auch STM eine optimale Ergänzung zu den vorhandenen Oberflächencharakterisierungsverfahren (Spektroskopie, Hall-Messungen, Lumineszenz, Widerstandsmessungen usw.).

Ansprechpartner: Dr. Eberhard Pitt

  Spitze
Hebelarm
  • Geätzte Messspitze (REM-Aufnahme)
  • Draufsicht auf Cantilever (REM-Aufnahme)

  • AFM-Messsonde (Cantilever mit Messspitze) mit Laserstrahl (gestrichelte Linie)
  • Schematischer Aufbau einer STM-Anlage (rot: Atome am Drahtende, blau: Atome auf Probenoberfläche)

  • Blockschaltbild einer typischen Rastersondenmikroskopie-Apparatur

  • Messplatz AFM mit PC (links), vibrationsfreiem Tisch (Mitte) und Elektronik (rechts oben)
  • Messkopf AFM mit elektrisch ansteuerbarem Trägheitstisch (unten) und Glasfaserzuführung (rechts)

  • AFM / Galliumnitrid (ca. 500nm x 500nm)
  • AFM / Zinkoxid-Schicht (ca. 1.4mm x 1.5mm)

  • AFM / Pitstrukturen auf einer Compact-Disc (ca. 0.9mm x 1mm)

  • STM / Atomare Goldinseln
  • STM / Holographisch erzeugte Metalloxid-Struktur (Abstand 288nm)