In der vorliegenden Diplomarbeit von 1997 werden die theoretischen und experimentellen Grundlagen der Rastertunnelmikroskopie am Beispiel eines BEETLE-Rastertunnelmikroskops (RTM) vorgestellt.
Der Aufbau, sowie die Funktionsweise eines RTMs sind wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit.Technische und physikalische Probleme, die beim bestehenden RTM auftraten, ließen atomare Auflösung nicht zu. Durch Optimierung des bestehenden Systems konnte atomare Auflösung an den Oberflächen Graphit (0001) und Gold (111) erreicht werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Der Tunneleffekt
2.1.1 Tunnelwahrscheinlichkeit
2.1.2 Tunnelstrom zwischen einem Metall-Vakuum-Metall Tunnelübergang
2.2 Bardeen's Näherung
2.3 Die atomare Korrugation
2.3.1 Einfluß von unterschiedlichen Spitzenzuständen auf das RTM-Bild
2.4 Rastertunnelspektroskopie
3 Auf- und Umbau des RTMs
3.1 Piezoelektrische Röhren-Scanner
3.1.1 Vorverstärkung und Störungen
3.1.2 Feedback-Elektronik
3.2 Vibrationsisolierung
3.3 Bearbeitung der RTM-Bilder im Computer
3.4 Ultrahochvakuumanlage
4 Funktionstest des RTMs an Luft
4.1 Messungen an der (0001)-Oberfläche von Graphit (HOPG)
4.1.1 Asymmetrie auf der HOPG (0001)-Oberfläche
4.1.2 Einfluß der Tunnelspitze auf RTM-Bilder von Graphit
4.1.3 Anomal große Korrugation auf HOPG
4.1.4 Laterale Kalibrierung des RTMs
4.2 RTM Messungen an einer Au(111)-Oberfläche
5 Test des RTMs im Hochvakuum
6 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der technischen Optimierung und dem Umbau eines sogenannten Beetle-RTMs (Rastertunnelmikroskop), um dessen Leistung bei der Untersuchung atomarer Oberflächenstrukturen zu verbessern. Das primäre Ziel besteht darin, durch bauliche Veränderungen an der Elektronik, der Vibrationsisolierung und dem Scanner-System stabilere Messungen an Luft sowie im Hochvakuum zu ermöglichen.
- Konstruktion und Optimierung eines Piezo-Röhren-Scanners
- Reduktion von elektrischen Störungen und Streukapazitäten
- Theoretische Modellierung der Tunnelwahrscheinlichkeit und Korrugation
- Experimentelle Validierung an Graphit (HOPG) und Gold (Au(111))
Auszug aus dem Buch
2.1 Der Tunneleffekt
Wie wir aus der Quantenmechanik wissen kann man ein Quant, wie z.B. ein Elektron, entweder mit dem Teilchen-Formalismus oder dem Wellen-Formalismus beschreiben. Im klassischen Teilchen-Formalismus wird ein Elektron, daß sich in einem Potential U(z) bewegt beschrieben durch
p^2 / 2m + U(z) = E.
Für E > U(z) hat das Elektron einen nichtverschwindenden Impuls in allen Bereichen. Jedoch wird für E < U(z) der Impuls imaginär und ist klassisch verboten, d.h., das Elektron kann nicht in die Potentialbarriere eindringen. Im quantenmechanischen Wellen-Formalismus beschreibt eine Wellenfunktion Ψ(z) den elektronischen Zustand, die die Schrödingergleichung (2) erfüllt
- (ħ^2 / 2m) * (d^2 / dz^2) Ψ(z) + U(z)Ψ(z) = EΨ(z).
Man erhält drei Lösungen für die drei Bereiche I, II und III (Abb. 4).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in die Grundlagen der Rastertunnelmikroskopie und Darstellung der Motivation für den Umbau des RTM-Systems.
2 Theoretische Grundlagen: Herleitung der quantenmechanischen Prinzipien des Tunneleffekts und der Beschreibung von Oberflächenzuständen durch Bardeen’s Näherung.
3 Auf- und Umbau des RTMs: Detaillierte technische Beschreibung der Umbaumaßnahmen am Scanner, der Elektronik zur Signalverarbeitung und der Vibrationsisolierung.
4 Funktionstest des RTMs an Luft: Validierung der Systemleistung durch Messungen an Graphit- und Goldoberflächen, inklusive der Interpretation der atomaren Auflösung.
5 Test des RTMs im Hochvakuum: Überprüfung der Funktionalität und Abschirmung des RTMs unter Hochvakuumbedingungen.
6 Zusammenfassung: Zusammenfassende Bewertung der erreichten Verbesserungen und Ausblick auf die Einsatzmöglichkeiten des optimierten Systems.
Schlüsselwörter
Rastertunnelmikroskopie, RTM, Beetle-RTM, Tunneleffekt, Oberflächenphysik, Graphit, HOPG, Au(111), Piezoelektrischer Scanner, Tunnelstrom, Atomare Auflösung, Ultrahochvakuum, Vibrationsisolierung, Zustandsdichte, Korrugation
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der technischen Verbesserung eines Rastertunnelmikroskops (RTM), um präzisere und stabilere Messungen atomarer Oberflächenstrukturen zu ermöglichen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit verknüpft theoretische physikalische Grundlagen des Tunneleffekts mit praktischer experimenteller Apparateentwicklung und deren Validierung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist der Umbau des bestehenden RTM-Systems zur Reduktion von Artefakten durch optimierte Elektronik, verbesserte mechanische Stabilität und eine verfeinerte Scanner-Technik.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden sowohl theoretische quantenmechanische Berechnungen (z.B. Schrödingergleichung) als auch experimentelle Methoden der Oberflächenanalytik an Graphit und Gold angewandt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung der Tunnelprozesse, die technische Beschreibung des Umbaus sowie die experimentelle Erprobung des Geräts.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Kernbegriffe sind Rastertunnelmikroskopie, Tunnelstrom, Piezo-Scanner, Oberflächenzustände und atomare Auflösung.
Wie unterscheidet sich die neue Scanner-Konfiguration?
Der neue Scanner ist nun segmentiert, was eine präzise x-, y- und z-Auslenkung unabhängig voneinander erlaubt, anstatt wie zuvor nur in eine Richtung eingeschränkt zu sein.
Warum wurde die Elektronik modifiziert?
Die Modifikation diente dazu, durch separate Stromdurchführungen störende kapazitive Kopplungen und damit einhergehende Bildartefakte zu minimieren.
Welche Bedeutung hat das Graphit-Experiment?
Die Messungen an Graphit (HOPG) dienen als Funktionstest, da dessen atomare Struktur bekannt ist und zur Kalibrierung der Scanner-Parameter genutzt werden kann.
Welche Beobachtungen wurden an Au(111) gemacht?
An Au(111) wurden Strukturen wie atomare Inseln beobachtet, deren Entstehung auf "flame annealing" und die Dynamik der Oberflächenatome zurückgeführt wird.
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- Dr. Ricardo Scherer (Author), 1998, Rastertunnelmikroskopie. Theoretische und Experimentelle Grundlagen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/323206
