Untersuchung atomarer Oberflächen mit einem STM

Die Physik-AG des Hans-Thoma-Gymnasiums (HTG) erhielt von der Robert-Bosch-Stiftung im Rahmen des Förderprogramms NaT-Working ein Rastertunnelmikroskop easyScan E-STM Version 2.1 der Schweizer Firma Nanosurf. In den Sommerferien fand am HTG zur Einführung in die Thematik des STM ein einwöchiges Seminar zum Thema "Anschauliche Quantenphysik" statt. Wir nahmen daran teil und konnten uns bei den ersten Versuchen mit dem STM sofort dafür begeistern. Atome sehen - das war doch eine tolle Sache! Wir entschieden uns, intensiver mit dem STM zu arbeiten, da wir uns außerdem für die Nanotechnologie interessieren. Wir beschlossen aus der Arbeit mit dem STM ein Jugend-forscht-Projekt zu machen. Zusammen mit anderen Gruppenmitgliedern stellten wir unsere Ergebnisse beim Wissenschaftssommer in Stuttgart vor. Im Zuge dieser Arbeit besuchten wir mit einigen anderen Schülerinnen und Schülern Herrn Professor Meyer und Herrn Dr. Hegner am Institut für Nanotechnologie in Basel. In den Herbstferien machten wir eine Studienreise an das Kompetenzzentrum Nanoanalytik nach Hamburg. Durch den Leiter des Instituts, Herrn Professor Wiesendanger, erhielten wir an zwei Tagen viele Informationen und Hinweise für die Arbeit mit einem Rastertunnelmikroskop.

Grundlagen, Ergebnisse und Ausblick

• Einführung in Theorie und Funktionsweise eines STM
  Informationen zum Tunneleffekt, zur Funktionsweise sowie zu den verschiedenen Betriebsarten eines STM
  
• Aufbau des Gerätes
  Das STM wurde von den Gebäudeschwingungen abgekoppelt. Styropor und Aluminiumfolie schirmen es gegen Schall und elektrische Felder ab.
• Vorbereitung und Durchführung der Messungen
  Beschreibung der Vorgehensweise bei der Vorbereitung und der Durchführung einer Messung mit dem easyScan E-STM Version 2.1
• Topographische Aufnahmen: Ergebnisse
  Bevor die Oberflächen von Graphit, Molybdändisulfid und Gold untersucht wurden, wurde das STM mit einem Nanogrid geeicht.

• Topographische Aufnahmen: Auswertung
  Abstands- und Winkelmessungen beim Graphit sowie Vermessungen von Stufenhöhen bei Molybdändisulfid- und Goldoberflächen
• Spektroskopie-Modus: Ergebnisse und Auswertung
  Aufnahme von Spannungs-Strom- und Entfernungs-Strom-Diagrammen mit Goldproben
  
• Ausblick
  Ein Pulser soll Manipulationen an Oberflächen ermöglichen. In Zukunft sollen auch magnetische Eigenschaften von Proben untersucht werden.
  

Zusatzinformationen

Im Web

• Links und Literatur zum Thema STM
  Allgemeine Informationen, Unterrichtsmaterialien, Bildergalerien, STM "Marke Eigenbau", LEGO-Modelle zur Funktionsweise eines STM und Literaturtipps

Danksagungen

Unser besonderer Dank gilt

• Herrn Bernd Kretschmer (HTG Lörrach), ohne dessen unermüdliche Hilfe dieses Projekt nicht möglich gewesen wäre.
• NaT-Working, dem Förderungsprogramm der Robert Bosch Stiftung, für das Rastertunnelmikroskop.
• Herrn Prof. Wiesendanger (Universität Hamburg), von dem wir viele wertvolle Informationen zur Arbeit mit einem STM erhielten.
• Herrn Prof. Meyer, Herrn Prof. Güntherodt und Herrn Dr. Hegner (Universität Basel), die uns ebenfalls wichtige Ratschläge erteilten.
• Herrn Dr. Pieter van Schendel (Firma Nanosurf).

Informationen zu den Autoren

Alexander Joos studiert ab Oktober 2006 Physik an der TU München. Bei Jugend Forscht wurde er 2006 mit einer Arbeit "Flugkurven von Tischtennisbällen" zusammen mit Johannes Burkart Bundessieger. 2005 war Alexander Joos Mitglied des deutschen IYPT-Teams, das den Physik-Weltcup in Zürich holte. Andreas Knuth studiert im zweiten Semester Physik in Basel. Andreas Lang studiert in Karlsruhe Elektrotechnik, bei Jugend forscht war er zweimal Regionalsieger.