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Bausatz eines Rastertunnelmikroskops

Das Rastertunnelmikroskop

Komplettes STMIn den frühen 80er Jahren entwickelten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer ein Gerät, das erstmals einen Einblick in die Welt des Mikro- und Nanokosmos von Oberflächen ermöglichte. Sie erfanden das Rastertunnelmikroskop (STM, engl. Scanning Tunneling Microscope) mit dem leitfähige und relativ glatte Oberflächen gemessen werden können. Dafür verlieh ihnen die schwedische Akademie 1986 den Nobelpreis für Physik.

In der PTB Braunschweig wurde ein Bausatz für ein STM entwickelt. Es handelte sich um die weiterentwickelte Version eines Bausatzes, der ursprünglich vom Physikalischen Institut der Uni Münster zusammengestellt wurde (http://sxm4.uni-muenster.de). Hieran konnte man selbständig lernen und experimentieren und somit diese Spitzentechnologie hautnah erleben.

Das Prinzip

Kernstück des Rastertunnelmikroskops ist eine feine Nadel, die mit extrem geringem Abstand über die zu untersuchende Oberfläche fährt. Obwohl keine Berührung zwischen Nadelspitze und Probe stattfindet, können Elektronen die kleine Kluft überwinden. Diesen quantenmechanischen Vorgang nennt man "tunneln" (daher die Bezeichnung "Rastertunnelmikroskop").

Durch Anlegen einer Spannung (U) zwischen Probenoberfläche und Nadel kann man den Tunnelstrom (I) messen. Dieser Strom hängt sehr empfindlich vom Abstand (h) zwischen Spitze und Probe ab. Man kann ihn daher nutzen, um das Höhenprofil der Oberfläche, die Topografie, zu messen.

Das Prinzip des RastertunnelmikroskopsDer Tunnelstrom fließt aber nur, wenn die Nadel nicht weiter als 1nm von der Oberfläche entfernt ist. Das bedeutet, dass die Höhe der Nadel ständig nachgeregelt werden muss. Darauf basiert die Idee dieses Verfahrens. Für die Höhenverstellung wird ein Piezokristall verwendet, der die Fähigkeit hat sich zu strecken oder zu stauchen, wenn an ihn eine elektrische Spannung (UPiezo) angelegt wird.
Verändert sich der Tunnelstrom (also der Abstand), so wird er durch die entsprechend geänderte Piezospannung wiederhergestellt. Diese Daten (UPiezo) werden gesammelt und liefern schließlich ein genaues Bild der Probenoberfläche.

Informationen zum Bausatz

Durch eine einfache Konstruktion und ein Minimum an mechanischen und elektronischen Komponenten wurde eine hohe Nachbausicherheit erreicht.

Komponenten des BausatzesInhalt des Bausatzes:

  • Mechanische Konstruktionsteile
  • 3 Piezostellelemente
  • Elektronik (Platinen, Elektronikbauteile)
  • ISA-Bus-PC-Messeinschubkarte
  • Gehäuse und Drehknöpfe
  • Netzteil
  • Stecker und Kabelverbindungen
  • Software für die Steuerung des Gerätes

und die Messdatenvisualisierung und -verarbeitung

Was zum Aufbau und zur Inbetriebnahme noch benötigt wurde:

  • PC mit einem freien ISA-Slot
  • Betongehwegplatte (30x30cm) zur Schwingungsdämpfung
  • Natronlauge zum Ätzen der Spitzen
  • Lötkolben
  • ein einfaches Multimeter

Die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops ist abgeschlossen.
Da das CC-UPOB keinen kommerziellen Vertrieb durchführt, können derzeit keine Bausätze geliefert werden.

In der PTB wird derzeit als Nachfolgeprojekt ein AFM-Bausatz entwickelt.

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