Kurzanleitung

Installation und Start des Programms

Die Software für die Simulation des Rastertunnel-Mikroskops können Sie auf der Homepage der Schweizer Firma Nanosurf kostenlos herunterladen. Ein Menü führt dann durch die Installation der Software. Nach einem Klick auf das Programm-Icon auf dem Desktop Ihres Rechners startet die Simulation, mit der man die Oberfläche von Graphit virtuell untersuchen kann.

Annäherung der Spitze

"Positioning"-Symbol

Der erste Schritt besteht nun in der Annäherung der Spitze an die Graphitprobe. Es beginnen ganz geringe Ströme zu fließen, obwohl die Spitze noch nicht die Oberfläche berührt. Man spricht von einem "Tunnelstrom", weil der Strom den isolierenden Zwischenraum "durchtunnelt". In der Simulation geht dies ganz problemlos. Man klickt das "Positioning"-Symbol (Abb. 1) in der Leiste auf der linken Seite des Bildschirms. Im realen Experiment wird die Spitze zunächst von Hand bis auf einen Abstand von einem Millimeter an die Probe herangebracht. Dann erfolgt die weitere Annäherung über "Piezomotoren", bis der Tunnelstrom, der ständig gemessen wird, einen vorgegebenen Grenzwert erreicht (zum Beispiel ein Nanoampere). Der Abstand zwischen Spitze und Probe liegt dann im Nanometerbereich. In der Praxis braucht dies einige Übung, damit die Spitze nicht in die Probe gerammt wird und neu geschnitten werden muss. Die Simulation meldet sich schnell mit der Meldung "Approach done" und das "Abrastern" der Oberfläche beginnt.

Abrastern der Graphitoberfläche

Beim "Abrastern" der Probe unterscheidet man zwei verschiedene Verfahren:

• Constant height mode
  Die Nadel fährt in einer konstanten Höhe über die Probe. Aus der Stärke des Tunnelstroms wird auf die Entfernung zur Probe geschlossen. In der Praxis wird man diese Methode zunächst nicht anwenden, da die Gefahr zu groß ist, dass die Spitze in die Probe gerammt wird. Erst wenn man einen ebenen Bereich erreicht hat, bei dem man sicher ist, dass keine "Berge" innerhalb des Scanbereichs liegen, kann man mit dieser Methode Bilder sicher erzielen.
• Constant current mode
  Der Tunnelstrom wird auf einen konstanten Wert eingestellt. Durch Verschieben der Spitze in Z-Richtung mithilfe der Piezoelemente hält man den Abstand zur Oberfläche und damit den Tunnelstrom auf einem definierten Sollwert, während die Spitze in Zeilen über die untersuchte Oberfläche bewegt wird. Die Geschwindigkeit des Regelkreises kann man bei einem echten Mikroskop einstellen, bei der Simulation ist dies jedoch nicht erforderlich.

Ausrichtung der Spitze des STM

"Imaging"-Symbol

Wechseln Sie nun durch Anklicken des "Imaging"-Icons (Abb. 2) die Bildschirmansicht. Während Sie dies tun, läuft bereits fortwährend der Scan. Die Ebene, in der die Spitze hin- und herbewegt wird, und die Ebene der gescannten Graphitoberfläche sind nicht von vornherein parallel ausgerichtet. Dies erkennt man an der Liniendarstellung im rechten unteren "Topographie - Scan forward"-Fenster" des "Imaging Window" (Abb. 3, Platzhalter bitte anklicken!), das unterhalb der Flächenabbildung dargestellt wird.

"Imaging Window"

Die beiden Ebenen werden nun parallel zueinander ausgerichtet. Geht die durchschnittliche Neigung der X-Richtung an der Linie nach unten, so passt man dies durch einen positiven Wert der Steigung ("X Slope") an, wie zum Beispiel in Abb. 3 (Platzhalter bitte anklicken) auf zwei Grad. Nach einer Drehung des Arrangements um neunzig Grad wird dieses Verfahren wiederholt und so auch die Y-Steigung auf etwa Null eingestellt.

Durchführung der Messungen

Zoom-Werkzeug

Mit "Start" beginnt eine neue Messung, mit "Finish" wird sie nach dem Durchlauf eines Scans beendet. Für das weitere Vorgehen wird zunächst ein kleinerer Ausschnitt mit einer Größe von etwa zwanzig mal zwanzig Nanometern gewählt. Dazu klicken wir das Bild an und es entsteht um das Bild herum ein blauer Rand. Nach einem Klick auf dem Zoom-Button (Abb. 4) steht das Symbol der Spitze eines Federhalters als Werkzeug zur Verfügung, mit dem ein Rechteck innerhalb des Bildes aufgezogen werden kann. Die Größe des markierten Ausschnitts kann man in einem neuen Fenster ablesen, das unter "Tool results" auftaucht (Abb. 5, "Imaging Area"). Wir platzieren den quadratischen Ausschnitt in einem Bereich mit möglichst gleicher Färbung, also in einem Bereich mit weitgehend konstanter Höhe.

"Photo"-Button

Erneut wird die Lage der Liniendarstellung in X- und Y-Richtung korrigiert, zum Beispiel "Y-Slope -4,5 (Abb. 5, "Imaging Options"). Dieses Verfahren wird wiederholt, bis der gewählte Ausschnitt eine Größe von vier mal vier Nanometern hat. Dann zeigt die Oberflächenstruktur ein deutliches und regelmäßiges Muster. Helle Stellen entsprechen Erhöhungen, dunkle Stellen Vertiefungen. Ist die Qualität des Bildes zufriedenstellend, wird es mit einem Klick auf den "Photo"-Button (Abb. 6) gespeichert.

Auswertung der Bilder

"Length"-Werkzeug

Nachdem das Ergebnis des virtuellen Versuchs gesichert wurde, können daran Messungen durchgeführt werden. Mit dem Längen-Messsymbol (Abb. 7) der obersten Taskleiste kann der Atomabstand bestimmt werden. Abb. 8 zeigt einen entsprechenden Screenshot.

Abb. 9: Graphit-Gitter

Zwischen dem ersten und dem elften Atom liegt eine Strecke von 2,467 Nanometern, der Abstand zwischen zwei Kohlenstoffatomen beträgt also 0,25 Nanometer. Der Wert, den man auf diese Weise erhält, ist zu groß. Der Abstand zwischen unmittelbaren Nachbarn beträgt nur 0,14 Nanometer. Dies liegt an der Gitter- beziehungsweise der Schichtstruktur des Graphits. Die in Abb. 9 weiß dargestellten Atome haben in der Nachbarschicht keinen Partner. Ihre Elektronendichte ist daher größer. Im STM-Bild erscheinen sie daher als helle Spitzen. Die grau dargestellten Atome haben in der darunter liegenden Schicht einen Partner. Ihre Elektronendichte ist an der Oberfläche daher geringer und sie erscheinen beige. Auch die Winkel zwischen den Atomen können mit der Software bestimmt werden.

3D-Bilder und Entfernungs-Strom-Diagramme

"Color map"-Button

Durch einen Klick auf den "Color map"-Button (Abb. 10) kann man ein dreidimensionales Bild der Graphitoberfläche erzeugen (Abb. 11). Es öffnet sich ein Menü, bei dem man "3D View" anklickt. Auch hier muss man sich darüber im Klaren sein, dass dies ein Bild der Elektronendichte an der Oberfläche ist und nicht ein "normales" optisches Bild. Im "Spectroscopy mode" des virtuellen STM gibt es auch die Möglichkeit, den Strom in Abhängigkeit von dem Abstand der Spitze zur Probe aufzunehmen (Entfernungs-Strom-Diagramm). Es ergibt sich mit wachsendem Abstand ein exponentieller Abfall.

Weiterlesen

• Links zum Thema STM
  Allgemeine Informationen, Unterrichtsmaterialien, Bildergalerien und weitere STM-Simulationen