Experimentelle Methoden

Bei der STM/STS besteht die einzigartige Möglichkeit einzelne Nanostrukturen mit atomarer Auflösung zu untersuchen und Spektren an diesen zu messen. Dabei wird eine sehr feine Spitze so nahe an eine Oberfläche gebracht, dass ein Tunnelstrom fließt. Misst man den Tunnelstrom I als Funktion von der angelegten Spannung V bei festem Abstand, so erhält man ein Signal, dass proportional zum Integral über die Zustandsdichte der Probe ist. In besonders stabilen Mikroskopen ist es möglich mit Lock-In Technik ein dI/dV Signal zu messen, das direkt proportional zur lokalen Zustandsdichte ist. In Nanostrukturen sind die elektronischen Zustände quantisiert. Dies führt bei eindimensionalen Strukturen zu sogenannten Van Hove Singularitäten in der Zustandsdichte und bei Quantenpunkten zu diskreten Eigenzuständen. Aus der Verbreiterung der Energieniveaus kann nun wiederum die Lebensdauer gemessen werden. Wird die Spitze über die Oberfläche gerastert können mit atomarer Auflösung Informationen über die lokale Zustandsdichte und die Struktur der Oberfläche gewonnen werden. In unserer Arbeitsgruppe haben wir ein Tieftemperatur-Tunnelmikroskop in Betrieb, das mit flüssigem Helium gekühlt wird und bei T = 5 K arbeitet. Es ist so stabil gegen thermische Drift und Erschütterungen, dass hochauflösende Spektroskopie betrieben werden kann.

Eine sehr gute Übersicht über die vielfältigen Messmöglichkeiten mit einem STM/STS finden Sie in dem Buch von  Bert Voigtländer, Scanning Probe Microscopy, Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2015

STM-Bild einer Au(111) Oberfläche mit atomarer Auflösung. Sichtbar ist auch die Rekonstruktion der Oberfläche (herringbone reconstruction).

Die Methode LEED setzen wir ergänzend ein, um Informationen über Periodizitäten an Oberflächen zu gewinnen. Aufgrund der geringen Reichweite der langsamen Elektronen ist die Methode sehr oberflächensensitiv.

Die Methode AES liefert uns Informationen über die chemische Zusammensetzung der Oberfläche.

Eine kurze Einführung in beide Methoden finden Sie zum Beispiel in den Buch Surface Physics, Fundamentals and Methods von Thomas Fauster, Lutz Hammer, Klaus Heinz, and Alexander Schneider,  Walter de Gruyter Verlag, Berlin/Boston, 2020

LEED-Bild einer Au(111) Oberfläche gemessen bei etwa 120 eV.

Bei der winkelaufgelösten Photoemission wird die Probe mit UV-Licht einer bestimmten Energie zwischen 10 und 50 eV bestrahlt. Durch den Photoeffekt werden Elektronen ausgelöst, die ins Vakuum übertreten. Aus der Richtung und der Energie der Elektronen kann mit sehr hoher Genauigkeit Energie und Impuls der Elektronen im Innern des Kristalls bestimmt werden. Diese Methode wird zur Messung der Bandstruktur von Festkörpern eingesetzt. Die Linienbreite ist umgekehrt proportional zur Lebensdauer der elektronischen Zustände und bietet daher den Zugang zur Messung von Korrelationseffekten. Der Vorteil gegenüber Methoden aus der klassischen Festkörperphysik ist die hohe Auflösung im reziproken Raum (k-Raum), die es erlaubt, die Kopplungen einzelner Zustände an bestimmten k-Raum-Punkten zu messen. Bei klassischen Methoden wie Transport- oder Zyklotron-Resonanzfrequenz wird dagegen über Bereiche der Brillouinzone integriert. Besonders zuverlässig kann mit ARPES die Zunahme der effektiven Masse durch Elektron-Phonon-Kopplung gemessen werden.

Eine kurze Einführung in ARPES finden Sie zum Beispiel in den Buch Surface Physics, Fundamentals and Methods von Thomas Fauster, Lutz Hammer, Klaus Heinz, and Alexander Schneider,  Walter de Gruyter Verlag, Berlin/Boston, 2020

Hochauflösendes Photoelektronenspektrometer