Vorlesung Methoden der Anorganischen Chemie
III. Bildgebende Verfahren
4. SPM (Rastersondenmethoden)
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Vorlagen zu III.4.
- Vorlage III-4.1: Tunnel- und Kraftmikroskopie
(PS,
PDF)
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!)