Das Rastertunnelmikroskop
Das Rastertunnelmikroskop (kurz: RTM) ist das älteste aller Rastersondenmikroskopen. Die Sonde des Rastertunnelmikroskops wird in sehr geringem Abstand über die zu untersuchende Probe geführt. Dabei wird ein Tunnelstrom gemessen, der aufgrund des geringen Abstandes zwischen den äußersten Atomen von Sonde und Probe entsteht. Der gemessene Tunnelstrom und der Abstand sind exponentiell von einander abhängig, was dem Rastertunnelmikroskop eine hochpräzise Messung erlaubt.
Verringert sich der Abstand um einen Zehntel Nanometer (das entsprichtd er Größenordnung eines einzelnen Atoms), so verzehnfacht sich bereits die Stromstärke. Die Distanz zwischen Sonde des Rastertunnelmikroskops und Probe wird somit sehr genau ermittelt und bei geringsten Abweichungen durch die Verwendung einer Rückkoppelung mittels eines elektrischen Regelkreises mit Piezokristallen (zur genauen Positionierung der Sonde) sofort korrigiert, sodass der Abstand zwischen der Spitze der Sonde und der Probe stets konstant bleibt. Dadurch wird die Sonde des Rastertunnelmikroskops immer im gleichen Abstand über die Oberfläche geführt, die Auf-und-Ab-Bewegung der Sonde bildet somit das „Höhenprofil“ der Probe ab. Die geringfügigen vertikalen Bewegungen der Sonde werden wiederum gemessen und an einen Computer weitergegeben, der ein genaues Abbild der Struktur errechnen kann und diese graphisch darstellt. Durch das Abtasten vieler paralleler Strecken lässt sich somit durch das Rastertunnelmikroskop zeilenweise ein dreidimensionales Bild einer Oberfläche errechnen, auf dem selbst einzelne Atome sichtbar werden.Der Tunnelstrom, den das Rastertunnelmikroskop ausnutzt, ist auf den quantenmechanischen Tunneleffekt zurückzuführen, der es den Elektronen erlaubt, die Potentialbarriere zu überwinden und von der Probe auf die Sonde oder umgekehrt zu wechseln, was nach den Vorstellungen der klassischen Physik eigentlich unmöglich wäre. Die Potentialbarriere ist eine Art Hürde, die das Elektron überwinden muss, um von einem Atom der Probe auf ein Atom der Sonde zu wechseln. Eigentlich müsste ein erheblicher Betrag an Energie zugeführt werden, damit ein Elektron ein Atom verlassen kann.
In der Quantenmechanik ist jedoch nichts genau bestimmt, es gibt eine gewisse Unschärfe in der Energie, die das Elektron besitzt. Somit gibt es eine (sehr kleine) Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron die Potentialbarriere dennoch überwinden, oder besser gesagt durchtunneln kann. Das Verfahren setzt allerdings voraus, dass zwischen Probe und Sonde des Rastertunnelmikroskops eine Spannung angelegt werden kann, damit der Tunneleffekt in eine Richtung begünstigt wird und eine messbare Stromstärke entsteht. Das erfordert jedoch, dass beide Materialien elektrischen Strom leiten. Nichtleiter können mit dieser Methode nur dann untersucht werden, wenn es sich um eine extrem dünne Schicht handelt, die auf einem leitenden Material liegt.
Aufgrund der extrem kleinen Abstände (~1nm) und den sehr geringen Messgrößen (vertikale Bewegung: ~1nm-10nm; Tunnelstrom: ~10pA) ist das Rastertunnelmikroskop anfällig für Störungen durch Erschütterungen und Vibrationen, elektromagnetische Wellen, Hitzeeinwirkungen, Verunreinigungen und vieles mehr. Es ist bei dem Rastertunnelmikroskop also wichtig, dass die Messung von äußeren Einwirkungen komplett abgeschirmt ist und im Hochvakuum stattfindet. Dies macht das Verfahren der Rastertunnelmikroskopie zwar aufwändig, lässt sich aber auch bei anderen Methoden kaum vermeiden.
