Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Sie einzelne Atome sehen können. Nicht als verschwommene Flecken, sondern als deutliche, in Reihen stehende physische Einheiten. Das ist keine Science-Fiction. Es ist das Ergebnis des Rastertunnelmikroskops (STM), einem Gerät, das die Quantenmechanik in ein praktisches Bildgebungswerkzeug verwandelte.
Das STM funktioniert nicht wie Ihr Küchenmikroskop. Es reflektiert kein Licht von einer Oberfläche. Stattdessen beruht es auf einer seltsamen Eigenart der Quantenphysik namens Tunneln. Elektronen, die normalerweise in einem Festkörper gefangen sind, können manchmal durch den leeren Raum „tunneln“. Sie tun dies, indem sie sich wie Wellen verhalten. Aber es gibt einen Haken. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron diesen Sprung schafft, nimmt mit zunehmender Entfernung exponentiell ab.
Dies macht das STM wahnsinnig empfindlich gegenüber Entfernungen.
Hier ist der Aufbau: Eine Wolframnadel, deren Spitze zu einem einzelnen Atom gespitzt ist, schwebt nur wenige Angström über einer Probe. Eine winzige Spannung verbindet die Spitze mit der Oberfläche. Elektronen springen über die Lücke. Die Sonde tastet das Gelände ab. Wenn die Oberfläche anstößt, ändert sich die Strömung. Sinkt er, verschiebt sich der Strom. Diese Daten werden zu einer topografischen Karte verarbeitet. Sie erhalten ein Bild der Atome.
Die Technologie kam 1981 auf den Markt. Die Schweizer Physiker Gerd Binnig und Heinrich Rohrer bauten das erste funktionierende Modell. Sie versuchten nicht, einen Nobelpreis zu gewinnen. Sie wollten lediglich die lokale Leitfähigkeit von Oberflächen untersuchen.
Sie richteten ihr Gerät auf Gold.
Als das Bild auf einem Fernsehmonitor erschien, war es erschreckend. Reihen präzise beabstandeter Atome. Breite Terrassen, die durch genau ein Atom hohe Stufen voneinander getrennt sind. Sie hatten einen direkten Weg gefunden, die Atomstruktur abzubilden. Es eröffnete eine neue Ära für die Oberflächenwissenschaft. 1986 erhielten sie den Nobelpreis für Physik.
Funktionsprinzipien
Die Physik der Berührung: Wie STM das Unsichtbare sieht
Das Rastertunnelmikroskop (STM) lässt die Dinge nicht nur groß aussehen. Damit können Sie sie mit Elektronen berühren.
Es hat die Auflösung, einzelne Atome aufzulösen. Das ist keine Kleinigkeit. Die Funktionsweise unterscheidet sich jedoch grundlegend vom Rasterelektronenmikroskop (REM), dem Arbeitspferd der herkömmlichen Bildgebung. In einem REM werden Elektronen durch eine Reihe positiv geladener Platten stromabwärts aus einer scharfen Spitze herausgezogen. Diese Platten wirken als Linse und fokussieren den Strahl auf die Probe. Es ist rohe Gewalt. Die elektrostatische Anziehung überwindet die Barriere, die die Elektronen im Metall hält, und sie fliegen als freie Teilchen heraus.
Das STM entfernt die Platten. Es entfernt die Linse. Dadurch entfällt in vielen Fällen die Vakuumanforderung.
Anstatt Elektronen abzufeuern, platziert das STM eine scharfe Spitze, die nur wenige Angström von der Probe entfernt ist. Es basiert auf Quantentunneln.
Tunneling ist kein Fehler. Es ist die Funktion.
Elektronen in Metallen scheinen sich frei zu bewegen. Das ist eine Illusion. In Wirklichkeit springen sie von Atom zu Atom, indem sie die potenzielle Barriere zwischen den Standorten durchtunneln. Sie nähern sich der Barriere mit einer Frequenz von $10^{17}$-mal pro Sekunde. Die Tunnelwahrscheinlichkeit beträgt für jeden Ansatz 10^{-4}$.
Das Ergebnis ist eine Übertragungsrate von $10^{13}$ Elektronen pro Sekunde. Es ist so schnell, dass der Tunnelvorgang kontinuierlich zu sein scheint. Bei Massenmetallen können Sie es ignorieren.
Sie können es im STM nicht ignorieren.
Wenn die Spitze nahe an der Probe positioniert wird, verkleinert sich der Spalt auf die Größenordnung des Atomabstands. Das Elektron steht nun vor einer Wahl. Es kann zu einem benachbarten Atom im Gitter oder zur Sondenspitze selbst tunneln.
Der zu dieser Spitze fließende Strom misst die Elektronendichte an der Oberfläche. Diese Daten bilden das Bild.
In Halbleitern wie Silizium erreicht die Elektronendichte ihren Höhepunkt in der Nähe von Atomstellen. Das Bild zeigt helle Flecken. Diese Punkte definieren die räumliche Verteilung der Atome.
In Metallen wie Gold, Platin oder Kupfer ist die elektronische Ladung gleichmäßig verteilt. Der Tunnelstrom sollte einen flachen, gleichmäßigen Hintergrund aufweisen. Das ist nicht der Fall. Die Spitze stört die Elektronendichte. Der Strom nimmt leicht zu, wenn die Spitze direkt über einem Oberflächenatom sitzt. Die periodische Anordnung der Atome wird sichtbar. Die Interaktion ist intim. Das Mikroskop beobachtet nicht nur; es nimmt teil.
Abbildung des Atomgitters
Wir haben die Anordnung einzelner Atome auf Gold-, Platin-, Nickel- und Kupferoberflächen kartiert. Wir haben beobachtet, wie sich Atome bewegen.
Sauerstoffaufnahme. Diffusion. Epitaktisches Wachstum, bei dem Silber auf Gold oder Nickel auf Gold wächst. Alles bis ins kleinste Detail dokumentiert.
Aber Silizium ist der Star.
Siliziumoberflächen werden durch Erhitzen im Vakuum vorbereitet. Die Hitze ist hoch genug, um Atome zu einer Neuordnung zu zwingen. Das ist eine Oberflächenrekonstruktion.
Die Siliziumoberfläche (111) rekonstruiert sich in die Takayanagi-7 × 7-Struktur. Es ist kompliziert. Komplex. Das STM hat die Position, chemische Reaktivität und elektronische Konfiguration jeder einzelnen Atomstelle in diesem Muster gemessen.
Die Siliziumoberfläche (100) ist einfacher. Atome paaren sich zu Dimeren. Diese Reihen erstrecken sich über die gesamte Fläche.
Umgebungsbedingungen und extreme Temperaturen
Beim Vakuumtunneln ist kein Vakuum erforderlich.
Der Abstand zwischen Spitze und Probe ist gering – etwa fünf Angström. Es gibt keinen Platz für Moleküle. Auch wenn die Umgebung mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt ist, fließt der Tunnelstrom.
Das STM kann in Luft betrieben werden. Im Wasser. In Isolierflüssigkeiten. In ionischen Lösungen für die Elektrochemie.
Das ist ein gewaltiger Vorteil. Ultrahochvakuum-Instrumente dienen der Sauberkeit und nicht der Leistung. Das STM funktioniert gut in Umgebungsatmosphäre. Es ist robust. Es ist zugänglich.
Die Temperaturregelung erweitert ihren Nutzen.
Das STM kann auf weniger als 4 K gekühlt werden. Temperaturen von flüssigem Helium. Dadurch werden die Eigenschaften supraleitender Materialien sichtbar.
Es kann auf über 973 K, also 700 °C, erhitzt werden. Dies ermöglicht es Forschern, die schnelle Atomdiffusion über Metalloberflächen zu untersuchen und Korrosion in Echtzeit zu beobachten.
Jenseits der Bildgebung: Materie manipulieren
Das STM ist in erster Linie ein Bildgebungsinstrument. Aber das elektrische Feld zwischen der Spitze und der Probe ist stark. Zu stark für passive Beobachtung.
Forscher nutzen es, um Atome entlang der Oberfläche zu bewegen. Sie nutzen es, um die Ätzraten in verschiedenen Gasen zu erhöhen.
Bei einem Experiment wurde eine Vorspannung von vier Volt angelegt. Das Feld an der Spitze wurde stark genug, um Atome von der Spitze zu ziehen und auf dem Substrat abzulagern.
Es wurde eine Goldspitze verwendet. Auf dem Untergrund bildeten sich kleine Goldinseln. Jeder Cluster enthielt mehrere hundert Atome.
Das ist Nanofabrikation. Dabei wird die Oberfläche in einem Ausmaß strukturiert, wie es bisher nicht möglich war. Das Mikroskop sieht nicht nur die Welt. Es baut es auf.
Die Spitze schwebt. Der Strom fließt. Die Atome warten.
