Rastertunnelmikroskopie
Die Realraummethode der Rastertunnelmikroskopie (RTM) kann bei leitenden Proben angewendet werden. Die Methode wurde von G. Binnig und H. Rohrer vor etwa 30 Jahren entwickelt und erlaubt seitdem atomare Auflösung von Oberflächen. Typische Auflösungen sind dabei 10 pm in lateraler und 1 pm in vertikaler Richtung.
Die einzige Voraussetzung ist ein leitendes Material, damit ein Tunnelstrom entstehen kann. Mittels RTM wurden metallische, halbleitende, superleitende und quasikristalline Oberflächen untersucht. Auf derartigen Oberflächen sind auch dünne isolierende Filme und Moleküle abgebildet worden.
Die Hauptanwendung der RTM ist die lokale Bestimmung der Oberflächentopographie und deren elektronische Struktur. Auch die Schwingungsstruktur von adsorbierten Molekülen kann mit submolekularer Auflösung untersucht werden.
RTM basiert auf dem quantenmechanischem Tunneleffekt, bei dem Elektronen eine Barriere durchdringen, die sie klassische nicht überwinden können, da ihre Energie kleiner ist als die Barrierenhöhe (siehe Figur). Da der Tunnelprozess auf der Wellennatur der Elektronen beruht, hängt die Tunnelwahrscheinlichkeit nicht nur von der Barrierendicke, sondern auch von der Wellenform der Elektronen ab.
In der RTM tunneln die Elektronen zwischen zwei Elektroden durch das Vakuum. Eine dieser Elektroden endet idealerweise mit lediglich einigen wenigen Atomen. Diese Spitze wird mithilfe von piezoelektrischen Elementen bis auf einen Abstand von einem Zehntel nm oder weniger der anderen Elektrode genähert. Bei einem solchen Abstand überlappen die Wellenfunktionen von Spitze und Probe, was einer endlichen Tunnelwahrscheinlichkeit der Elektronen zwischen den Elektroden entspricht. Eine angelegte Spannung gibt dieser Tunnelwahrscheinlichkeit eine Richtung, so dass Elektronen aus besetzten Zuständen der einen Elektrode in unbesetzte Zustände der anderen Elektrode fließen (siehe Figur). Dabei führen einige mV bis V zu einem Tunnelstrom in der Größenordnung von pA bis nA. Da die Wellenfunktionen exponentiell ins Vakuum abfallen, hängt dieser Tunnelstrom exponentiell vom Abstand zwischen Spitze und Probe ab. Er ist somit eine empfindliches Maß für den Abstand zwischen den beiden Elektroden.
Controlled manipulation of single atoms and small molecules using the scanning tunnelling microscope
This article reviews manipulation of single molecules by
scanning tunnelling microscopes, in particular vertical manip-
ulation, lateral manipulation, and inelastic electron tunnelling
(IET) manipulation.