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Inhalt Einleitung I. Spektroskopie II. Beugung III. Bildgebung IV. Sonstige Methoden
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Vorlesung Methoden der Anorganischen Chemie

III. Bildgebende Verfahren

4. SPM (Rastersondenmethoden)

Vorlagen zu III.4.


Allgemeines relativ neue Methodengruppe oberfl"achenspezifische Methode Erg"anzung der direkt bildgebenden Verfahren Geschichtlichtes - Nobelpreis Gerd Binnig und H. Rohrer (IBM Schweiz) - seit 1980 (erstes echtes STM) - seit ca. 1984 zahlreiche weitere abgeleitete Methoden - 1990: erstes kommerzielles Ger"at - Nanomechanik (auch bei Polymeren, Nanoh"ammer) - funktionalisierte Spitzen Prinzi direkte Abrasterung der FK-Oberfl"ache (WEB-Animated Gif) div. Detektionsm"oglichkeiten: Tunnelstrom (STM) mechanischer Ausschlag der Nadel (AFM) div. weitere Eigenschaften ortsaufgel"ost zun"achst un"uberwindliche erscheinende Probleme: Fertigung von Metallspitzen (mit atomarer Spitze) Bewegung der Spitze im Sub-nm-Bereich Temperaturdrift Schwingungsd"ampfung {\bf Vorteile} $\oplus$ atomare Aufl"osung $\oplus$ billig z.B. im Vergleich zu $e^-$-Mikroskopen (Prinzip teuer = gut durchbrochen) $\oplus$ klein (Miniaturisierbarkeit) (keine gro"sen Aufbauten z.B. Elektronenoptik) $\oplus$ keine optischen Probleme (Abbildungsfehler usw.) $\oplus$ kein Vakuum, auch in Fl"ussigkeiten und div. Gasatmosph"aren $\oplus$ geringe Belastung der Probe (kleine E-Felder: ca. 10 meV, dagegen keV bei $e^-$-Mikroskopie) {\bf Physikalische Prinzipien} \ding{202} {\bf Rastertunnelmikroskop} (STM) Tunneleffekt $\mapsto$ Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Teilchens au"serhalb Potential-Topf: $ D = \exp{-\frac{2d}{\hbar}\sqrt{2m(U-W)}} $ mit d = Wanddicke = Abstand Spitze-Probe U = Wallh"ohe W = Energie des Teilchens $\mapsto$ f"ur den Tunnelstrom $I_T$: $I_T \sim U_T exp{\sqrt{\frac{2m_e}{\hbar^2}}s} $ mit s = Abstand Spitze -- Probe $U_T$ = Spannung (div. Polungen denkbar) \underline{2 unterschiedliche Betriebsarten} \psfig{figure=./Scan_bilder/rem3.ps,height=3.9cm,angle=0.} \psfig{figure=./Scan_bilder/rem4.ps,height=3.9cm,angle=0.} \ding{192} konstanter Tunnelstrom (links) - Messung: Profile konstanter lokaler $e^-$-DOS bei $E_F$ \ding{193} konstante Abtasth"ohe (rechts) - mechanisch einfacher, aber nicht so gute Aufl"osung {\bf Nachteil} $\ominus$ nur mit elektrisch leitf"ahigen Proben ... wird umgangen bei ... \ding{203} {\bf Kraftmikroskopie} (AFM=Atomic Force Microscopy) \psfig{figure=./Scan_bilder/rem5.ps,height=2.9cm,angle=0.} {\bf Vorteil} $\oplus$ Probe mu"s nicht leitf"ahig sein {\bf Prinzip:} mechanisches 'Abtasten' der Oberfl"ache optische Auswertung der Cantilever-Auslenkung {\bf Apparatives} bei STM und AFM interessante/faszinierende mechanische Konstruktion: \psfig{figure=./Scan_bilder/rem1.ps,height=2.9cm,angle=0.} \psfig{figure=./Scan_bilder/rem2.ps,height=2.9cm,angle=0.} oben: erster Apparat von Binnig und Rohrer Laus f"ur Grobjustierung Dreibein f"ur Feinjustierung mitte: piezoelektrische Aktuatoren: z.B. Rohrscanner rem6.ps ferner: \underline{Spitze:} durch "Atzen hergestellt Schwingungsisolation durch 'Aufh"angen' der ganzen Apparatur (im Magnetfeld) {\bf Beispiele f"ur Oberfl"achenabbildungen} WEB-Gallerie, Demo aus Wien, Nanor"ohrchen usw. $\mapsto$ atomare Aufl"osung Grahpit: \psfig{figure=./Scan_bilder/rem7.ps,height=2.9cm,angle=0.}\psfig{figure=./Scan_bilder/rem8.ps,height=2.9cm,angle=0.} - links: Si(111) dreiz"ahlige (pseudohexagonale Struktur) - rechts: Graphitoberfl"ache (wie vorgestellt ;-))))))) auch magnetische Kraftkarten, Spektroskopie, bio-Essays usw. usw. "Ubersichtsartikel: CHIUZ 1992 S. 18 (mit Betonung der Oberfl"achenchemie!)

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