Das Raster-Tunnelelektronen-Mikroskop (RTM)

Verfasst am 23.06.2005 23:34:12 Uhr
Das Raster-Tunnelelektronen-Mikroskop (RTM)

[Nanotruck-Video-Einzelfoto,18.6.2005by Dr.Detlef Pagel,Wetzlar]

Am 18.6.2005 war der Nanotruck (Bild von außen, innen (siehe rechts)), den ich vom Einstein-Event in Gießen her kannte, nochmals in der Wetzlarer Gegend, und zwar auf dem Hessentag in Weilburg. Dortselbst war ein auch Rastertunnelmikroskop (RTM) (engl. scanning tunneling microscope (STM)) genanntes Gerät ausgestellt und (beim Abtasten einer Graphit-Oberfläche) in Aktion (Video1(23sek)). Daneben wurde die Messung einer Rasterzeile und die Gesamtheit aller gerasterten Messungen als pseudo-3D-Bild auf je einem Monitor dargestellt (Video2(13sek)).
Anm.: Entschuldigung für die live-Hintergrundgeräusche; man kann das separate Browserfenster verkleinern und dabei die ergänzenden, erläuternden Textpassagen lesen, da das Hochladen des Audio-Clip des Vortrages von über 3min auf den freenet-Server wegen der mp3-Dateigröße von ca.3.8MB gescheitert ist (freenet lässt nur 'max file size'=1536kB zu); dafür habe ich hier rund 80min für's Abtippen des Audio benötigt (Luxus!))

Vortrag des wissenschaftlichen Leiters dieses Nanotruck-Ausstellungswagens

(Herr Dr. ...(Name habe ich vergessen)) aus Anlass des Besuches der hessischen Staatsministerin für Soziales Frau Silke Lautenschläger (Bild): Abschrift des Vortrages über das Rastertunnelmikroskop (meine Bemerkungen dazu sind grün):

(¿undeutlich)... hoch gemessen.

Und zwar, äh, kann man sich das so vorstellen, modelhaft, kann man sagen, ich nehm meine Hand, das hier sollen die einzelnen Atome sein in Größe meiner Hand, und der, der Zeigefinger meiner rechten Hand, das ist die atomare Spitze.

Wenn man die jetzt in unendlicher Distanz, also über ein Nanometer entfernt ("kichernd"), von der Oberfläche betrachtet dann sehen Sie (¿oder "sie": die Elektronen; oder "sehet sie": die Oberfläche) die Spitze, kein Objekt: ja das ist zuweit weg.

Wenn man das aber annähert, dann, dann obwohl man in der Elektrik eigentlich sagt, wenn man einen Schalter schließt, ja, dann muss der Kontakt ja explizit dasein, denn der eine Schalterkontakt muss auf den anderen drauf gehen, um Strom zu erzeugen, denn das der Strom fließen kann.

Beim Rastertunnelmikroskop hier ist es schon so, dass wenn die Spitze erst in die Nähe kommt von dieser Oberfläche, dann spürt die Spitze doch, dass die Atome so langsam sichtbar werden, ja, ein kleiner Strom beginnt zu fließen.

Und zwar kann man sich das so vorstellen: die Elektronen schaffen es aus der Spitze in dieses Objekt zu springen, obwohl eigentlich noch ein Wall da dazwischen ist.

Eigentlich ist das von der klassischen Physik her verboten, da wir aber im Eindringen in die atomare Dimension hier, da gelten zusätzlich noch die quantenphysikalischen Gesetze, und das ist ja das Tunnelmikroskop, es beginnt also, dass der, der Tunneleffekt wirksam zu werden.

Der ist derart, äh, sich vorzustellen, ein Elektron kann ja eigentlich eine Metall-, einen Metallverband nicht leicht verlassen.

Der, das Elektron wird gewissermaßen in dem Metall festgehalten. Es muss so 'ne Austrittsarbeit aufbringen können:

das kann man zum Beispiel durch, äh, große kinetische Energie erreichen, das darüber beschleunigt das Elektron und dann schafft's, das Metall zu verlassen. Das wär' eine Möglichkeit.

Die andere Möglichkeit, die hier verwirklicht ist, ist das Elektron ist eigentlich sehr langsam und merkt: "die Grenze kommt!" und schafft's nicht diese Barriere, die kinetische Barriere zu überwinden, zum Beispiel durch Geschwindigkeit.

Also müsst's eigentlich da stehen bleiben. Aber das wendet den Trick an, dass das Elektron die Barriere einfach untertunnelt, und so die Distanz zwischen der Spitze und dem Atom überwinden kann, obwohl das ja klassisch verboten ist, also ein Quanteneffekt, genau.

Also kann man!... und so kommt ein Strom zustande, wenn Sie die Spitze dem Atom nähern oder der atomaren Schicht, und der ist sehr klein, im Nano-Ampere-Bereich.

So, wenn jetzt die Spitze sehr, äh, nah über die Oberfläche geführt wird, dann kann's sein, dass sie (die Oberfläche) die Spitze sieht:

(1.) dass es auf 'nem Atom steckt, das heisst, der Strom ist etwas größer, wenn die Distanz klein isch, und (2.) im Zwischenraum zwischen den Atomen, da ist die Distanz etwas größer, der Strom wird dadurch kleiner.

Und wenn ma' so, das "constant hight" (dieses im konstanten Abstand) darüber führt, dann kann man von der verschiedenartigen Stromstärke 'rückrechnen (¿wohl geflunkert, Anmerkung: in der Nanotruck-Erläuterung (im Feb.2009 ist Lit.Quelle gelöscht) wird's so erklärt, dass die Tunnelstromstärke immer gleich hoch gehalten wird): wo war'n die Atome gesessen, wo war'n Lücken, und das gibt dann ein Bild so wie's hier dargestellt is (linke Seite von meinem Monitoring-Video: Wellenlinien).

Das hier ist, sind Stromstärken, umgerechnet in ein Höhenprofil,
und hier drüben (rechte Seite von meinem Monitoring-Video) hab'n wir das noch mal dargestellt, wie sich die, die einzelnen Rasterlinien zu 'nem Gesamtbild ergänzen, ja der Tunnel und das Raster kommen zusammen zum Rastertunnelmikroskop.

Und da kann man Atome sichtbar machen, natürlich nicht im Sinne von Licht, ja, sondern das ist, da muss man ganz andere Technik nehmen.

Und das ist eben ein Gerät hier, dass man praktisch im Praktikumseinsatz an den Universitäten zum Vorstellen des Prinzips und zum Messen von atomaren Oberflächen verwendet.

Aufnahme, Wiedergabe und Abschrift (alle Angaben ohne Gewähr): (dp).

Auf der linken Seite im Video sieht man angeblich (so der Referent, im Widerspruch zur offiziellen Nachhilfe-Site (deaktiviert im Feb.2009 wegen Inexistenz)) die Darstellung der elektrischen Ströme im nano-Amperebereich (relative Ordinate, in y-Richtung wandernd, nach oben oder nach unten wandernd) aufgetragen gegen die (Abszisse, x-Richtung, nach rechts) Abtastposition der Nadelspitze über der Graphitplatte. Die Höhe der Amplituden korreliere mit der Stromhöhe (richtig: Spannungshöhe des Piezokristall-Stellgliedes). Die Höhe des mehr oder weniger ausgeprägten Wellenzuges korreliert mit der auf der rechten Videoseite (durch Hell-Dunkel-Kontrast) dargestellten Scan-Höhe der Nadelspitze auf der Graphit-Oberfläche (man sieht eine Art Schatten wandern). Wenn auf der rechten Seite die Atom-Positionen durch Lücken und umgekehrt ersetzt werden, dann kehren sich auf der linken Seite die Maxima in Minima und umgekehrt um. Befindet sich die Rasterzeile auf der rechten Seite im Übergangsbereich von Atom-Orte_zur_Lücke (und umgekehrt), so sind auf der linken Seite die Extremwerte verschwunden.

Auf der rechten Seite im Video sieht man die regelmäßige Gitterstruktur der Oberflächenatome der gemessenen Graphitplatte, wie sie in Echtzeit mit Hilfe eines Mikro-Computers aus den Daten berechnet wird.

(dp)

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