Das Rastertunnelmikroskop (STM) wird sowohl in der industriellen als auch in der Grundlagenforschung häufig verwendet, um Bilder von Metalloberflächen im atomaren Maßstab zu erhalten. Es liefert ein dreidimensionales Profil der Oberfläche, das sehr nützlich ist, um die Oberflächenrauheit zu charakterisieren, Oberflächendefekte zu beobachten und die Größe und Konformation von Molekülen und Aggregaten auf der Oberfläche zu bestimmen. Beispiele für fortgeschrittene Forschung mit dem STM liefern aktuelle Studien in der Gruppe Elektronenphysik am NIST und in den IBM Laboratories. Einige andere kürzlich entwickelte Rastermikroskope verwenden ebenfalls die für das STM entwickelte Scantechnologie.
Die Elektronenwolke, die mit Metallatomen an einer Oberfläche verbunden ist, erstreckt sich in sehr geringem Abstand über die Oberfläche. Wird eine sehr scharfe Spitze – in der Praxis eine Nadel, die so behandelt ist, daß ein einzelnes Atom aus ihrem Ende herausragt – hinreichend nahe an eine solche Oberfläche herangeführt, so tritt eine starke Wechselwirkung zwischen der Elektronenwolke auf der Oberfläche und der des Spitzenatoms auf, und bei Anlegen einer kleinen Spannung fließt ein elektrischer Tunnelstrom. Bei einem Abstand von wenigen Atomdurchmessern nimmt der Tunnelstrom schnell zu, wenn der Abstand zwischen der Spitze und der Oberfläche abnimmt. Diese schnelle Änderung des Tunnelstroms mit der Entfernung führt zu einer atomaren Auflösung, wenn die Spitze über die Oberfläche gescannt wird, um ein Bild zu erzeugen.Russell D. Young vom National Bureau of Standards war der erste, der die Erkennung dieses Tunnelstroms mit einem Scangerät kombinierte, um Informationen über die Beschaffenheit von Metalloberflächen zu erhalten. Das von ihm zwischen 1965 und 1971 entwickelte Instrument, der Topografiner, veränderte den Abstand zwischen Spitze und Oberfläche (z) so, dass bei konstanter Spannung der Tunnelstrom (oder bei konstantem Strom die Tunnelspannung) konstant blieb, während die Spitze über die Oberfläche gescannt wurde. Die x-, y- und z-Koordinaten der Spitze wurden aufgezeichnet. (Einzelheiten zum Aufbau und zur Funktionsweise des Topografiners finden Sie in den Literaturhinweisen. Das gleiche Prinzip wurde später im Rastertunnelmikroskop verwendet. Das verbleibende Hindernis für die Entwicklung dieses Instruments war die Notwendigkeit einer angemesseneren Schwingungsisolierung, um eine stabile Positionierung der Spitze über der Oberfläche zu ermöglichen. Dieses schwierige Problem im mechanischen Design wurde durch die Arbeit von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, IBM Research Laboratory, Zürich, Schweiz, überwunden, die 1986 den Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckung der atomaren Auflösung in der Rastertunnelmikroskopie erhielten. Mit der Bekanntgabe des Preises würdigte die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften die wegweisenden Studien von Russell Young.
Bibliographie
R. D. Young, Rev. Sci. Instrum. 37, 275 (1966). R. D. Young, Physik heute 24, 42 (Nov. 1971). R. Young, J. Ward und F. Scire, Phys. Rev. Lett. 27, 922 (1971). R. Young, J. Ward und F. Scire, Rev. Sci. Instrum. 43, 999 (1972).