Werkzeuge und Messsonden für die Nanometer-Skala ¹H. Gliemann, ¹Th. Koch, ²Ch. Obermair, ¹· ²Th. Schimmel, ¹Forschungszentrum Karlsruhe, INT; ²Universität Karlsruhe, Angewandte Physik

STM (Scanning Tunneling Microscope = Raster-Tunnel-Mikroskop)

Meßprinzip Zwischen der STM-Spitze und der Probe liegt eine Spannung UT an, sodass ein Tunnelstrom IT fließen kann. IT ist abhängig von dem Abstand s zwischen Probenoberfläche und STM-Spitze und soll während der Messung konstant bleiben (I). Trifft die Spitze während des Scannens z. B. auf eine Oberflächenerhebung, wird s kleiner und IT nimmt zu (II). Ein Regelkreis R gibt daraufhin eine Piezospannung UP aus, die den Piezo, an dem die STM-Spitze befestigt ist, soweit von der Probenoberfläche zurückzieht, bis der Tunnelstrom wieder seinen Sollwert erreicht hat (III). Die Piezospannung ist ein Maß für die Höhe der Unebenheit der Oberfläche.

STM Bild einzelner atomarer Positionen; die drei herausstehenden wurden mittels Spannungsimpulsen markiert.
Lichtmikroskopische Aufnahme einer STM-Spitze aus gezogenem Pt/Ir-Draht; die exponierteste Stelle der Spitze ist mit einem Pfeil markiert, sie stellt den Tunnelkontakt dar (Vergrößerung etwa 1000-fach).
STM-Aufnahmen von hochgeordnetem pyrolytischen Graphit (HOPG) in unterschiedlichen Vergrößerungen; im linken Bild sind die atomar glatten Ebenen zu sehen, rechts die atomare Struktur einer solchen Ebene.

AFM (Atomic Force Microscope = Raster-Kraft-Mikroskop)

Messprinzip Der auf der Cantilever-Rückseite fokussierte Laserstrahl wird reflektiert und trifft auf eine Viersegment-Photodiode. Vor Beginn der Messung wird der Strahl so justiert, dass der Laserpunkt genau auf die Mitte der Diode trifft, und damit alle Segmente den gleichen Photostrom Ip liefern. Wird die Probe mittels Piezo unter der AFM-Spitze in x- und y- Richtung hin und her gescannt, so verbiegt sich der Cantilever entsprechend der Unebenheiten, was zu einer vertikalen Auslenkung des reflektierten Laserstrahls auf der Diode führt. Der Unterschied der Summen der Photoströme I(A+B) und I(C+D) wird ermittelt und an den Regelkreis weitergeleitet. Dieser gibt eine Piezospannung UP aus, durch die der Piezo die Position der Probe in Z-Richtung soweit korrigiert, bis der Laserstrahl wieder die Mitte der Diode trifft. Die angelegte Piezospannung ist daher ein indirektes Maß für die Oberflächen-Topographie.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme dreier Cantilever mit AFM-Spitze.

Topographie-Aufnahme eines mittels AFM-Spitze in Glimmer eingefrästen Zahlenzuges.

Materialkontrast einer mit Aceton behandelten Siliciumoberfläche aufgenommen mit einem AFM.