Themenarbeiten

Das Raster-Tunnel-Mikroskop

Ausschnitte aus der Jahresarbeit von Tobias Bialas,  12. Klasse,  November 2002

Die Fazination der Nanotechnik

Wissenschaftliche Vorkämpfer sind der Meinung, dass in ein bis zwei Jahrzehnten die Menschheit in ein neues Zeitalter eintritt, in dem fast nichts mehr unmöglich sein wird. Unsere derzeitigen Technologien werden sich dann so verhalten, wie ein Steinzeitwerkzeug zu einem High-Tech-Computer. Ebenso wie man heute einen Kühlschrank besitzt, soll sich dann ein Nano-Manipulator in jedem Haushalt befinden. Mit Hilfe der Nano-Technik werden dann Moleküle der einzelnen Objekte manipuliert, so dass ein alter Schuh in zwei Stunden in ein Steak umgewandelt wird.
Dies alles klingt eigentlich noch, wie in einem Science-Fiction -Film, jedoch gelang es einigen Wissenschaftlern und Forschern in Kooperation und mit Unterstützung des Raster-Tunnel-Mikroskops, einzelne Atome und Moleküle zu verschieben.
Was vor zwanzig Jahren noch als unvorstellbar galt, ist heute möglich und das wird sich auch fortsetzen, so dass man bald mit Mini-U-Booten im Körper auf der Suche nach Fremdkörpern sein wird.

Ziel: Strukturen im Nanometerbereich zu untersuchen

Das Ziel der Arbeit war von Anfang an, etwas unvorstellbar Kleines, eine Dimension für die man im Vergleich als Gigariesen gesehen werden würde, zu messen und herauszufinden, wie die Oberflächen der Präparate aussehen. Obwohl die Fläche in der Realität als glatt, spiegelnd und eben erscheint, präsentiert sich doch nach wenigen Minuten des Untersuchens, das genaue Gegenteil.

Die Größenordungen von Längen in der Natur, die sich der Mensch vorstellen kann, sind seiner normalen Umgebung entnommen. Dies ist aber nur ein kleiner Teil der tatsächlichen Längenskala, die im Prinzip nach oben und nach unten offen ist.
Jeder weiß in etwa, wie lang 1 m oder 1 cm ist. Eine Strecke der Länge 100 m abzustecken, ist schon schwieriger, spätestens bei 1000 m werden die Fehler beim Schätzen sehr groß. Wer kann sich dann noch vorstellen, wie lang 1000 km oder 100000 km sind ? Das gleiche gilt für den Mikrokosmos.
Wie lang ist ein Nanometer ( 1nm = 1/1 000 000 000 m ) ?
Ein menschliches Haar ist im 1/10 mm-Bereich zu messen und für jeden leicht zu sehen. Betrachtet man dagegen das Auge einer Fliege, muss man sich, um genaue Strukturen zu erkennen, ein Hilfsmittel zu Rate ziehen, da erst in der Dimension der µ-Meter die exakte Form zu sehen ist. Ganz zu schweigen vom Bereich der Nanostrukturen. Wer kann sich schon dieGröße einer Vire vorstellen?


Raster-Tunnel-Mikroskop

Funktionsweise
Im Wesentlichen besteht diese Art von Mikroskop aus einer feinen, elektrisch leitenden Spitze, die in enorm kleinem ( 1 nm ) Abstand, jedoch ohne jegliche Berührung arbeitend, im Rasterverfahren über das zu untersuchende Präparat geführt wird. Das Anlegen einer Spannung, zwischen einigen 100 mV und mehreren Volt, bewirkt, dass zwischen dem Präparat und der Nadel Strom ( siehe Tunnel-Effekt ) fließt. Die Spitze erhält durch den Stromfluss Informationen über die Struktur der Oberfläche und ihr Höhenrelief. Die erreichten Daten werden nun im Computer mit einer speziell entwickelten Karte umgesetzt und anschließen ausgewertet.


Zwischen diesen Abstand wird der quantenmechanisch zu erklärende Tunnelstrom gemessen. Im Idealfall besteht zwischen Nadel und Sonde ein Abstand von höchstens einem Nanometer, der entstehende Tunnelstrom liegt bei einer Größenordnung von etwa 0,1 bis 1 Nanoampere. Die Größe dieses Stroms hängt dabei exponentiell vom Abstand zwischen Tunnelnadel und Probe ab.

In einer meanderförmigen Bewegung tastet die Spitze die Probe ab. Hierbei wird jeder einzeln gemessene Punkt aufgenommen, anschließend zu Zeilen verarbeitet und hernach von der entsprechenden Software des Computers zu einem Bild zusammengesetzt.

Tunnel-Effekt

Der Tunneleffekt ist ein quantenmechanischer Prozess, wo atomare Teilchen (Valenzelektronen) einen Bereich, in dem die potentielle Energie größer ist als die kinetische Energie der Teilchen, durchqueren.
Ein Elektron kann ein Potential überwinden, auch wenn seine Energie hierzu eigentlich nicht ausreicht. Bei diesem Vorgang durchdringt das Elektron einen Potentialwall, man nennt das auch „es durchtunnelt den Potentialwall“.
Der Tunneleffekt besagt, dass sich Teilchen durch energetisch verbotene Zonen hindurchbewegen können.
Elektronen können durch starke elektrische Felder aus einem Metall in einen energetisch erlaubten Bereich des Feldes tunneln (Anwendung: Feld-Elektronen-Mikroskop).
Ebenso können Elektronen durch einen engen Spalt von einem Metall in ein anderes Metall tunneln (Anwendung: Raster-Tunnel-Mikroskop).

Aufbau des Schüler Scanning-Tunnelling-Mikroscope, STM

Dank der Physiker der Universität Münster kann man für weniger als 800 Euro in die Welt der Atome reisen. Auf einige sehr teure Teile haben die Konstrukteure deshalb verzichten müssen. Die preiswerteste Profiversion kostet zum Vergleich etwa so viel wie ein Mittelklassewagen. Die Programme für die Steuerung des Experiments sind zusammen mit den Bauplänen im Internet zugänglich. Der Heimcomputer wird so zum Fenster in die ferne Welt der Atome.

Die Münsteraner Physiker betreuen sowohl Schulen, als auch andere Interessierte und haben daher im Internet ein Diskussionsforum eingerichtet, so dass sich Interessenten gegenseitig helfen können.


Messverfahren

Zwei mögliche Messverfahren.Beschreibung:
Es gibt im Prinzip zwei Methoden, die Objektoberfläche abzutasten. Die einfachere ist oben links dargestellt: Wenn die Nadel immer in der gleichen Distanz zum Objekt gehalten wird, dann ändert sich die Amplitude des Tunnelstroms entsprechend der Oberflächenbeschaffenheit der Probe. Aus der Oberfläche hervorstehende Strukturen verkleinern den Spalt zwischen Objekt und Nadel und lassen den Tunnelstrom ansteigen. Tiefer liegende Strukturen vergrößern die Spaltweite und reduzieren den Tunnelstrom. Das Ergebnis ist eine eine Registrierung des Tunnelstrom als Funktion des Ortes (links unten). Diese Meßmethode erlaubt ein sehr schnelles Abrastern des Objektes, sie kann allerdings nur bei sehr flachen Oberflächen angewendet werden.

Bei Objekten mit sehr unebenen Oberflächen wird ein anderes Verfahren verwendet (oben rechts): die Spaltbreite zwischen Objekt und Nadelspitze wird dabei überall konstant gehalten. Dazu wird an jeder Stelle der Tunnelstrom gemessen und an eine Steuereinheit geleitet, die die Nadel in Z-Richtung bewegen kann. Diese Steuereinheit verschiebt die Spitze solange, bis der Tunnelstrom einen vorgegebenen, für alle Oberflächenpunkte gleichen, Wert hat. Gleicher Tunnelstrom bedeutet aber gleiche Spaltbreite an allen Oberflächenpunkten; die Nadel folgt also der Oberflächenstruktur, und man erhält eine Registrierung der Z-Position als Funktion des Ortes (rechts unten).

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