Prinzip des Rastertunnelmikroskops (Scanning Tunneling Microscope STM)

In diesem Bild ist der grundlegende Aufbau eines Rastertunnelmikroskops gezeigt: eine scharfe Spitze wird auf eine Rastereinheit, bekannt als "xyz Scanner", montiert, welcher die Positionierung in x-, y- und z-Richtung mit subatomarer Genauigkeit ermöglicht. Die Tunnel-Spitze ist typischerweise ein Draht, welcher durch chemisches Ätzen oder mechanische Bearbeitung angespitzt wurde. Als Material wird oft Wolfram, Platin-Iridium oder reines Iridium verwendet. Zwischen Spitze und Probe wird eine Spannung V_t angelegt, und wenn der Abstand zwischen Spitze und Probe im Bereich von einigen Ångström liegt, fließt der Tunnelstrom I_t. Dieser Strom wird für die Regelung des z-Scanners verwendet.

Im Topographiemodus werden Bilder erzeugt, indem man I_t durch Regelung konstant hält und die z-Position des Scanners aufnimmt. Im constant-height Modus, bei dem die z-Position konstant gehalten wird, rastert die Spitze schnell über die Probe, sodass die Regelung den atomaren Abweichungen nicht folgen kann. Die Atome erscheinen dann als Modulationen im Tunnelstrom I_t, welche als Funktion von x und y aufgenommen werden. Das Scannen der Probe wird meist rasterförmig durchgeführt mit einer schnellen (Sägezahn- oder Sinus-Signal) und einer langsamen (Sägezahn-Signal) Scan-Richtung. Ein Computer steuert das Scannen der Oberfläche in der x-y-Ebene, während die z-Position der Spitze (Topographie-Modus) oder der Tunnelstrom (constant-height-Modus) aufgenommen werden. Es ergibt sich ein dreidimensionales Bild aus z(x,y,I_t = const) oder I_t (x,y,z = const).