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Lexikon der Biologie: Raster-Tunnelelektronenmikroskop

Raster-Tunnelelektronenmikroskop s, Raster-Tunnelmikroskop, Abk. RTM, mikroskopische Apparatur zur Oberflächenanalyse elektrisch leitfähiger Proben, das mit einer räumlichen Auflösung von etwa 0,1 nm das derzeit höchste Auflösungsvermögen realisiert (bis ca. 100.000000fache Vergrößerung). Die Entwicklung des RTM (G. Binnig und H. Rohrer, IBM Rüschlikon; Nobelpreis 1986) begründete vor etwa 10 Jahren den Anfang der sog. Rastersondenmikroskopie. Eine schnelle Entwicklung führte zu den heute verfügbaren höchstauflösenden Mikroskopen zur Oberflächenanalyse, die Oberflächen bis hin zur atomaren Auflösung darstellen können. Der Begriff „Tunnel“ rührt daher, daß beim RTM der Tunnelstrom (von Elektronen) ausgenutzt wird, der zwischen einer sehr feinen Metallspitze und einer elektrisch leitfähigen Probenoberfläche fließt. Der Tunnelstrom selbst stellt einen physikalischen Quanteneffekt dar: ein Strom von Elektronen, der nach klassischer Vorstellung über den Aufbau von Atomen eigentlich gar nicht fließen dürfte. Das hohe Auflösungsvermögen wird dabei nicht wie bei den optischen Mikroskopen durch eine immer kleiner werdende Wellenlänge (Welle) des Beobachtungs-Lichts erzielt, sondern durch den Einsatz extrem kleiner Werkzeuge. Beim RTM sind dies eine sehr feine Metallspitze ( vgl. Abb. 1 und vgl. Abb. 2 ) – meist aus Wolfram – und piezoelektrische Keramiken, die eine nanometergenaue Positionierung der Spitze ermöglichen. Die Tunnelspitze wird in einem Abstand von ca. 1 nm zeilenweise über die Oberfläche geführt. Der gemessene Tunnelstrom hängt exponentiell (Exponentialfunktion) vom Abstand zwischen Spitze und Probenoberfläche ab. Charakteristisch ist eine Abnahme des Tunnelstroms um einen Faktor 10 bei Abstandsvergrößerung von 0,1 nm. Aus dieser hohen Abstandsempfindlichkeit des Tunnelstroms resultiert die hohe laterale Auflösung des RTM. Prinzipiell unterscheidet man beim RTM 2 Betriebsmodi. Im Constant-Current-Mode wird der Tunnelstrom konstant gehalten. Dazu wird mittels der piezokeramischen Stellglieder der Abstand zwischen Tunnelspitze und Probenoberfläche so eingestellt, daß stets derselbe Tunnelstrom fließt. Voraussetzung für diese Betriebsart ist ein hoch präzise arbeitender Regelkreis. Die Abstandsänderungen werden an einen Rechner weitergegeben, der diese Werte in ein Höhenmodell der Oberfläche umwandelt. Durch zeilenweises Abrastern entsteht nach und nach ein dreidimensionales Bild der Probenoberfläche. Im Constant-Height-Mode wird die Spitze in konstantem Abstand über die Probenoberfläche geführt. Zur Darstellung der Oberflächengestalt dienen die Änderungen des Tunnelstroms. Beim RTM-Verfahren werden nicht die Atome selbst, sondern die lokalen Ladungsdichteunterschiede zwischen Tunnelspitze und Probenoberfläche dargestellt. Ein Atom, bei dem zur Ablösung eines Elektrons nur eine geringe Austrittsarbeit notwendig ist (Tunnelbarriere), erscheint bei der bildhaften Darstellung größer oder höher als ein Atom mit höherer Austrittsarbeit. Dieser Sachverhalt ist bei der Interpretation von RTM-Bildern äußerst wichtig. Verschiedene Geräte sind als Weiterentwicklung des RTM im Einsatz, wobei neben dem Tunnelstrom auch andere Wechselwirkungen zwischen Tunnelspitze und Probenoberfläche, wie van-der-Waals-Kräfte (Raster-Kraftmikroskop), magnetische Kräfte usw. ausgenutzt werden. Mikrotomographie, Nahfeldmikroskopie, Nanotechnologie.

R.Kü.



Raster-Tunnelelektronenmikroskop

1 Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Raster-Tunnelelektronenmikroskops.



Raster-Tunnelelektronenmikroskop

2 RTM-Spitze, wie sie mit chemischen Ätzprozessen hergestellt wird. 3 Aufnahme von Benzolmolekülen auf einer Graphitoberfläche, welche die sechseckige Form des aromatischen Rings erkennbar werden läßt.

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