Es handelt sich um das Protokoll zum Versuch "RTM - Die Rastertunnelmikroskopie" aus dem fortgeschrittenen Praktikum für Physiker.
Mit einem Raster-Tunnelmikroskop ist es möglich, mithilfe einer atomar scharfen Spitze, die Oberfläche einer leitenden Probe mit atomarer Auflösung zu untersuchen. Dabei wird der Tunneleffekt der Elektronen ausgenutzt, um Informationen über die lokale Elektronendichte und die Rauheit der Oberfläche zu gewinnen.
Es wurden Proben aus Graphit, sowie Gold untersucht und qualitativ analysiert.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theorie
2.1 Tunneleffekt [4]
2.2 Raster-Tunnelmikroskopie
2.3 Probenstruktur
2.3.1 Graphit
2.3.2 Gold
3 Aufbau
4 Durchführung und Auswertung
4.1 Gaphit
4.1.1 Flächen- und Linienrauheit
4.1.2 Bestimmung der Gitterstruktur und Atomabstände
4.1.3 Elektronendichteverteilung
4.2 (111)-Gold
4.3 Unbekannte Probe
5 Fazit
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit verschiedener Proben mittels Rastertunnelmikroskopie, um atomare Strukturen aufzulösen und physikalische Parameter zu bestimmen.
- Grundlagen des Quantenmechanischen Tunneleffekts
- Funktionsweise und Messmodi der Rastertunnelmikroskopie (RTM)
- Analyse der Oberflächenstruktur von Graphit
- Bestimmung der Gitterparameter von (111)-Gold
- Identifizierung von Probenmaterialien und Rauheitsmessungen
Auszug aus dem Buch
2.1 Tunneleffekt [4]
Der Tunneleffekt ist ein Phänomen der Quantenmechanik und Grundlage der Tunnelmikroskopie. Allgemein beschreibt der Tunneleffekt die Überwindung eines Potentialwalles durch ein Quantenobjekt, die klassisch betrachtet unmöglich wäre. In der Theorie ergibt sich der Tunneleffekt durch Lösung der stationären, reduzierten Schrödingergleichung für einen Potentialwall, wobei die Energie des gestreuten Teilchens geringer sein soll als die Höhe des Potentialwalls. Praktisch kann der Tunneleffekt z.B. bei der Entstehung von Alphateilchen beobachtet werden. Nach Lösen der Gleichung stellt man fest, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des betrachteten Teilchens sowohl im Potentialwall, als auch dahinter, nicht vollständig auf Null abfällt. Die Wahrscheinlichkeit für ein „tunneln“ des Teilchens ergibt sich dabei aus der Energie des Teilchens, sowie der Dicke und der Höhe des Walls. Selbstverständlich strebt die Tunnelwahrscheinlichkeit für unendlich dicke Wälle gegen Null, da die Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Wall exponentiell abfällt.
Verstehen kann man dies folgendermaßen: Wenn das Teilchen in den Potentialwall eindringt, kann wegen der Stetigkeitsbedingungen an den Potentialgrenzen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit nicht sofort auf Null fallen, stattdessen fällt sie exponentiell und unterschiedlich schnell, je nach Höhe des Walls. Sinkt die Höhe des Walls aber unter die Energie des Teilchens, bevor die Aufenthaltswahrscheinlichkeit auf Null gefallen ist, kann sich die Welle wieder frei fortpflanzen. Deswegen ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit außerhalb der klassisch erlaubten Zone nicht zwingend gleich Null.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Kurze Einführung in die Nutzung des Rastertunnelmikroskops zur Untersuchung von Oberflächen mit atomarer Auflösung.
2 Theorie: Erläuterung der quantenmechanischen Grundlagen des Tunneleffekts sowie der Funktionsweise eines RTM und der untersuchten Probenstrukturen.
3 Aufbau: Beschreibung des experimentellen Aufbaus des RTM und der Vorbereitung der Messumgebung.
4 Durchführung und Auswertung: Darstellung der Messergebnisse für Graphit, Gold und die unbekannte Probe inklusive Rauheits- und Gitterbestimmungen.
5 Fazit: Zusammenfassende Bewertung der erreichten Messergebnisse und Vergleiche mit Literaturwerten für die untersuchten Materialien.
Schlüsselwörter
Rastertunnelmikroskopie, Tunneleffekt, Graphit, Gold, Gitterstruktur, Oberflächenrauheit, Quantenmechanik, Elektronen, Piezo-Antrieb, Atomabstand, Potentialwall, Materialanalyse, Nanometer, Messmodi, Topographie
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der praktischen Anwendung der Rastertunnelmikroskopie zur Untersuchung der atomaren Oberflächenstruktur verschiedener leitfähiger Materialien.
Welches sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit umfasst die physikalischen Grundlagen des Tunneleffekts, die apparative Technik des RTM sowie die Analyse von Graphit- und Goldproben.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die experimentelle Bestimmung von Oberflächenstrukturen, Gitterparametern und Rauheitswerten der untersuchten Proben unter Ausnutzung des Tunneleffekts.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird die Rastertunnelmikroskopie in verschiedenen Messmodi (Constant-Height-Mode und Constant-Current-Mode) verwendet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil erfolgt die detaillierte Durchführung der Messungen an Graphit und Gold, die Auswertung topographischer Daten sowie die Bestimmung von Atomabständen und Gitterkonstanten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Rastertunnelmikroskopie, Tunneleffekt, Graphit, Gold, Gitterstruktur und Oberflächenanalyse.
Wie wurde der Gitterparameter bei Gold bestimmt, da eine atomare Auflösung schwierig war?
Da eine direkte atomare Auflösung nicht gelang, wurde die Stufenhöhe zwischen einzelnen Goldschichten topographisch vermessen und über eine geometrische Berechnung der Literaturwert für Gold überprüft.
Warum konnte die unbekannte Probe nicht erfolgreich analysiert werden?
Die Probe konnte aufgrund einer Kollision der Messspitze mit der Oberfläche während des automatischen Annäherungsvorgangs nicht erfolgreich untersucht werden.
- Citar trabajo
- Marvin Kemper (Autor), 2016, Rastertunnelmikroskopie (RTM). Untersuchung und Analyse von Proben aus Graphit und Gold, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/344761
