Kurz & knapp
Ein Rastertunnelmikroskop (STM) fährt mit einer extrem feinen Metallspitze dicht über eine leitfähige Oberfläche und misst den dabei fließenden Tunnelstrom. Daraus entsteht ein Bild, in dem einzelne Atome erkennbar sind.
Inhalt
Das Rastertunnelmikroskop, englisch Scanning Tunneling Microscope (STM), arbeitet ohne Linsen und ohne Licht. Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickelten es 1981 bei IBM in der Schweiz. Dafür bekamen sie 1986 den Nobelpreis für Physik, den sie sich mit Ernst Ruska teilten, dem Erfinder des Elektronenmikroskops.
Das Prinzip: Tunnelstrom
Zwischen einer sehr scharfen Spitze und einer leitfähigen Probe liegt eine kleine Spannung an. Berühren sich beide nicht, fließt dennoch ein winziger Strom. Er entsteht durch den quantenmechanischen Tunneleffekt: Elektronen überwinden die Lücke, obwohl klassisch keine Energie dafür reicht. Der Strom hängt extrem vom Abstand ab. Schon eine Änderung um etwa 0,1 Nanometer verändert ihn ungefähr um den Faktor zehn.
Genau das macht das Verfahren so empfindlich. Piezo-Elemente bewegen die Spitze Zeile für Zeile über die Oberfläche. Entweder hält die Elektronik den Strom konstant und misst die nötige Höhenkorrektur, oder sie hält die Höhe konstant und misst den Strom. Das Ergebnis ist eine Karte der Oberfläche.
Warum die Spitze so wichtig ist
Der Tunnelstrom fließt fast nur über das vorderste Atom der Spitze, denn dieses liegt der Probe am nächsten. Eine Spitze mit einem einzigen Atom am Ende liefert deshalb atomare Auflösung, eine zerklüftete Spitze zeigt Doppelbilder. Gängig sind Spitzen aus Wolfram oder Platin-Iridium. Vorbereitet werden sie durch Ätzen oder einfaches Schneiden mit der Zange.
Wie fein ist das?
| Verfahren | Typische Auflösung | Probe |
|---|---|---|
| Lichtmikroskop | Rund 200 Nanometer | Fast alles |
| REM | Etwa 1 Nanometer | Meist bedampft, im Vakuum |
| STM | Seitlich etwa 0,1 Nanometer, in der Höhe noch feiner | Leitfähig |
Zum Vergleich: Der Durchmesser eines Atoms beträgt rund 0,1 bis 0,3 Nanometer. Mit dem STM lassen sich Atome nicht nur ansehen, sondern auch verschieben. So schrieb ein Forscherteam bei IBM später mit einzelnen Xenonatomen den Firmennamen.
Grenzen
- Nur leitfähige Proben: Für Isolatoren eignet sich das Rasterkraftmikroskop.
- Erschütterungen: Schon Schritte im Haus stören. Schwingungsdämpfung ist Pflicht.
- Spitzenqualität: Sie wird oft gezielt geätzt oder geschnitten. Eine stumpfe Spitze liefert Artefakte.
- Kein Echtfarbbild: Das Bild ist eine berechnete Höhenkarte, die Farben sind Konvention.
Praxisbezug
Das STM ist ein Forschungsinstrument für Oberflächenphysik und Materialwissenschaft. Für Schule und Hobby gibt es Lehrgeräte und Selbstbau-Projekte, doch für Alltagsbeobachtungen an Zellen, Pflanzen oder Wassertropfen taugt es nicht. Dort liegt Dein Gewinn bei einem soliden Lichtmikroskop. Einen Überblick, welches Gerät zu Dir passt, gibt der Ratgeber Mikroskop kaufen.
Verwandte Begriffe
Häufige Fragen
Wer hat das Rastertunnelmikroskop erfunden?
Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickelten es 1981 bei IBM in Rüschlikon. Sie erhielten dafür 1986 den Nobelpreis für Physik, zusammen mit Ernst Ruska für das Elektronenmikroskop.
Was bedeutet Tunnelstrom?
Elektronen können eine Lücke zwischen Spitze und Probe überwinden, obwohl sie klassisch dafür zu wenig Energie hätten. Der entstehende Strom hängt stark vom Abstand ab und liefert so die Höheninformation.
Was ist der Unterschied zum Rasterkraftmikroskop?
Das STM misst einen elektrischen Strom und braucht leitfähige Proben. Das Rasterkraftmikroskop misst die Kraft zwischen Spitze und Probe und funktioniert auch bei Isolatoren.
Quellen
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