Rastersondenmikroskope: Nanostrukturen ertasten

Rastersondenmikroskope können optische, magnetische oder elektrische Wechselwirkungen messen. Sie sind nicht nur für die Bio- und Materialwissenschaften bestens geeignet, sondern auch für die atomgenaue Qualitätskontrolle.

schematische Darstellung der Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops
Nanostrukturen werden durch Rastertunnelmikroskope sichtbar.
  • Das Rastertunnelmikroskop

    Für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (engl.: scanning tunneling microscope, STM), wurden die Forscher Gerd Binnig und Heinrich Rohrer im Jahr 1986 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet.
    Im STM wird eine spitze Metallnadel bis auf eine Entfernung von einem NanometerNanometer
    Ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters.
    an die Probenoberfläche herangeführt, ohne sie zu berühren. Legt man eine elektrische Spannung an, fließen Elektronen zwischen der Nadelspitze und der Probenoberfläche („Tunnelstrom“).
    Dieser Effekt ist nur mit der Quantenphysik erklärbar, denn in dem Zwischenraum ist nichts, das die geladenen Teilchen leiten könnte.
    Die Spitze fährt anschließend in versetzten Linien über die Oberfläche hinweg. Bei konstantem Strom hält die bewegliche Nadel in ihrer Auf- und Ab-Bewegung immer den gleichen Abstand zur Probe. Kommt sie beispielsweise einem AtomAtom
    Kleinste Einheit eines chemischen Elements. Das leichteste Atom ist das Wasserstoffatom.
    nahe, steigt der TunnelstromTunnelstrom
    Als Tunnelstrom bezeichnet man einen elektrischen Strom, der durch den quantenmechanischen Tunneleffekt zustande kommt und keinen Leiter benötigt. Bei diesem Effekt gelangen Elementarteilchen durch eine Energiebarriere hindurch ("tunneln").
    an und sie wird mechanisch so lange gehoben, bis die eingestellte Stromstärke wieder erreicht ist. Sinkt der Strom, wird sie abwärts bewegt. Ein Computer zeichnet die Hebe- und Senkbewegungen der Nadel auf und wandelt sie in ein Abbild aller Atome der Oberfläche um.
  • Das Rasterkraftmikroskop

    Bei der Rasterkraftmikroskopie (engl.: atomic force microscopy, AFM) ist das Bauprinzip anders und lässt sich eher mit einem Plattenspieler vergleichen.
    Die Sondenspitze ist auf einer Biegefeder aus Silizium oder Siliziumnitrid (Cantilever) angebracht und fährt dicht über die Probenoberfläche hinweg. Kommt sie einem Oberflächenatom nahe, wird die Spitze durch Abstoßungskräfte zwischen Sonden- und Oberflächenatom hochgedrückt, was wiederum den Cantilever-Arm auslenkt.
    Diese Bewegung wird mit einem Laser-Strahl registriert, der auf die Oberseite des Cantilevers gerichtet ist: Wenn sich der Cantilever verbiegt, ändert sich der Reflexionswinkel des Laser-Strahls. Ein Lichtsensor misst dieses Signal und überträgt es an den Auswertungsrechner.

zurück