Spitzen für die hochauflösende Bildgebung
Kurz nach der Erfindung der STM entdeckte man, dass nur scharfe Spitzen stabile und zuverlässige Abbildung von Atomrekonstruktionen auf metallischen Oberflächen liefern können. Die ultimative Auflösung kann mit Spitzen erreicht werden, die den Großteil des Tunnelstroms durch Elektronen-Orbitale eines einzelnen Atoms an der Spitze sammeln. STM-Spitzen werden in der Regel aus kostengünstigen polykristallinen Wolframdrähten mithilfe von elektrochemischem Ätzen hergestellt. Picoskalen-Auflösung kann auch mithilfe von Spitzen aus Lichtelement-Atomen erreicht werden. Allerdings produzieren die meisten Behandlungen keine stabilen Spitzen mit gut definierter atomarer und elektronischer Struktur. Die kontrollierte Herstellung von Spitzen, die sich für STM-Experimente eignen, war eines der wichtigsten Themen, mit denen sich EU-geförderte Wissenschaftler befassten. Das überspannende Ziel des Projekts ORBITAL IMAGING (Electron orbital resolution in scanning tunneling microscopy) war es, die Abbildung von metallischen Oberflächen mit komplexen Strukturen zu verbessern. Das Team von ORBITAL IMAGING stellte [001]-orientierten Wolframsonden her, die in Ultrahochvakuum mit Elektronenstrahlerhitzung und Ionen-Sputtern geschärft wurden. Sowohl Raster- als auch Transmissions-Elektronenmikroskopie bestätigten die reproduzierbare Fertigung der Einzelatom-Spitzen mit an den Scheiteln gekörnten nanoskaligen Pyramiden. Als nächstes demonstrierten die Forscher die Vorteile dieser einkristallinen Wolframspitzen für die STM-Bildgebung von pyrolytischem Graphit, Siliziumkarbid und Graphenflächen. Wichtig war die Entdeckung einer direkten Beziehung zwischen der Spitzenstruktur und picoskaliger Auflösung, die bei diesen Experimenten erreicht wurde. Die einkristallinen Wolframspitzen wurden auch für hochauflösende STM-Bildgebung von regelmäßig gestuften Siliziumoberflächen verwendet. Unter präziser Wärmebehandlung werden die ausgewählten Flächen in atomar präzisen Anordnungen von Siliziumterrassen und dreifachen Schritten mit gleicher Höhe rekonstruiert. Diese ungewöhnliche Oberflächenrekonstruktion wurde zum Gegenstand intensiver Forschungen im Rahmen von ORBITAL IMAGING. Mit hochauflösenden STM-Daten, die man mit Wolframspitzen mit hoher Stabilität erhalten hatte, fanden die Forscher heraus, dass die Periodizität auf gerillten Siliziumoberflächen aufrechterhalten werden kann, und schlugen ein Modell ihrer atomaren Struktur vor. Die Ergebnisse von ORBITAL IMAGING zeigten das Erreichen von picoskaliger Auflösung in STM-Experimente mit Wolframsonden, die mit der bisher höchsten Auflösung in der Rastersondenmikroskopie vergleichbar sind. Darüber hinaus bestätigten die experimentellen Untersuchungen die Eignung von Graphen auf Siliziumkarbid-Wafern für die Nanoelektronik.
Schlüsselbegriffe
Rastertunnelmikroskopie, Elektronen-Orbitale, Wolfram, ORBITAL IMAGING, metallische Oberflächen, Siliziumkarbid, Nanoelektronik
