Sexl Physik 7, Schulbuch

5 | Im RTM wird eine Metallspitze – so spitz, dass sich an ih- rem Ende nur ein Atom befindet – knapp, jedoch ohne di- rekten Kontakt – zeilenweise über die Oberfläche einer elektrisch leitenden Probe geführt, die Oberfläche wird ge- rastert. Es wird eine Spannung angelegt, dadurch fließt ein winziger Tunnelstrom, dessen Stärke vom Abstand der Spit- ze zu den Atomen der Probe abhängt. Die Höhe der Spitze über der Probe wird so geregelt, dass die Stromstärke wäh- rend des Abtastens konstant bleibt. Dadurch kann man die dreiminensionale Oberfläche visualisieren ( 5.1 ). Steuerspannung für das Piezoröhrchen Spitze Messung des Tunnelstroms Abstandskontrolle und Abtasteinheit Datenverarbeitung und Darstellung piezoelektrisches Röhrchen mit Elektroden Probe Tunnel- spannung 5.1 Funktion eines RTM (schematisch). Die Spitze wird horizontal und vertikal auf Bruchteile von Atomdurchmessern genau durch elektrische Spannungen an den Elektroden des piezoelektrischen Röhrchens gesteu- ert. Zusätzlich liegt eine elektrische Spannung zwischen Spitze und Probe. Elektronen fließen („tunneln“) durch die Lücke zwischen Probe und Spitze. Die Spitze wird durch Heben und Senken so geführt, dass ein konstanter Strom fließt. Dabei hat sie immer den gleichen Abstand zur Probenoberflä- che. Dadurch lässt sich ein dreidimensionales Bild der Oberfläche erzeugen. 5.2 Mit dem RTM können Atome verschoben werden, das nachträgliche Abtasten zeigt den Erfolg: Kupfer-Atome wurden wie Buchstaben ange- ordnet. Sie ragen aus der Unterlage. Die Größe des Bildes ist 25 nm×8 nm. Ein erster Schritt zur Materialbearbeitung im Nanobereich ist damit er- folgt. Beim Raster-Kraft-Mikroskop , dem »Atomic Force Micro- scope« (AFM), wird die Kraft zwischen der Spitze und den Atomen der Probenoberfläche während des Abtastens kons- tant gehalten. Kräfte bis 10 –10 N und darunter werden damit messbar. Die Kraft zwischen den Atomen der Probe und den Atomen in der Spitze ist eine elektrische Kraft. Die Durch- biegung des „Balkens“, der die Spitze trägt, wird mit einem Laserstrahl kontrolliert und daraus die Oberflächenstruktur berechnet. Die Methode eignet sich auch für nichtleitende Oberflächen. Mit dem RTM und dem AFM ist die Auflösung von Strukturen bis zu atomarer Größe möglich. Elektrische Kräfte halten die Materie – von Atomen bis zu Festkörpern und Flüssigkeiten – zusammen. Mit elektrischen Kräften lässt sich die Struktur der aus Teilchen aufgebauten Materie erforschen. Detektor und Steuerelektronik XY-Tisch Laser Photo- diode Cantilever mit Spitze Probenoberfläche 5.3 Schema eines Raster-Kraft-Mikroskops: eine nanoskopisch kleine Na- del an einem biegsamen Balken – dem Cantilever – wird zeilenweise über die Oberfläche einer Probe geführt. 5.4 Ein Stück DNA mit einem Raster-Kraft-Mikroskop betrachtet. Überlege, untersuche, forsche: Mikroskope 5.1 Erkundige dich über die Geschichte und Funktionsweise des Licht- und des Elektronenmikroskops! Welche Vergrößerungen sind möglich? 5.5 Vergleich des Aufbaus eines Lichtmikroskops und eines Elektronenmi- kroskops. Die „Linsen“ des Elektronenmikroskops sind Elektromagnete. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv