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Dipl.-Ing. Dr. Bernd Rudolf Arminger
Betreuer und 1. Begutachter: | Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar |
2. Begutachter: | |
Rigorosum: | 16. März 2010 |
Das Rastertunnelmikroskop (RTM) ist ein Mikroskop, das in der Oberflächenphysik und Oberflächenchemie eingesetzt wird, um die Oberfläche einer Probe abzubilden. Der physikalische Effekt, auf welchem das RTM basiert, ist der Tunneleffekt. Wird eine feine Metallspitze in die Nähe einer leitenden Probe gebracht, so findet ein Austausch der Elektronen zwischen der Spitze und der Probe statt, ohne das sich Spitze und Probe tatsächlich berühren. Wird nun eine Spannung zwischen Probe und Spitze angelegt (Tunnelspannung UT), so fließt ein kleiner Strom, welcher Tunnelstrom IT genannt wird. Die Größe dieses Tunnelstroms ist sehr stark von der Entfernung zwischen Spitze und Probe abhängig. Wird durch einen Regler die Spitze so nachgeführt (z-Richtung), dass der Tunnelstrom konstant gehalten wird, dann bleibt auch der Abstand zwischen Probe und Spitze konstant. Abbildung 1 veranschaulicht das Funktionsprinzip des Rastertunnelmikroskops grafisch. Durch transversales (x- und y-Richtung) Verschieben der Spitze kann die Probe "abgerastert" werden. Die nachgeregelte Position der Spitze gibt dann das Höhenprofil der Probe wieder. Die Positionierung der Sensorspitze (Abbildung 2) über der Probe erfolgt dabei über Piezoaktoren.
Das Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Rastertunnelmikroskops (RTM), welches in der Lage ist auch relativ raue Oberflächen zu vermessen.
Abbildung 1: Prinzipskizze eines Rastertunnelmikroskops
Abbildung 2: Links: Foto des Tastkopfes und der Probenhalterung; rechts: Elektronenmikroskop-Aufnahme der Sensorspitze
Abbildung 3: 3D-Darstellung der Oberfläche einer Gold-Probe. Die Aufnahme wurde mit dem entwickelten RTM gemacht.
Mit rau sind hier Oberflächen mit einer Elevation des Gradienten von 45° und mehr gemeint. In Abbildung 3 ist solch eine raue Oberfläche als 3D-Bild zu sehen. Aufnahmen dieser Art stellen spezielle Anforderungen an den Aufbau und vor allem an die Signalverarbeitung bzw. Regelung des RTMs.
Um aus den Rohdaten, welche das RTM liefert, die tatsächliche Form der Probenoberfläche zu rekonstruieren ist das Wissen über das genaue Verhalten des RTMs unerlässlich. Aus diesem Grund wird auf die Identifizierung der einzelnen Komponenten großer Wert gelegt.
Erwähnenswert ist hier vor allem das mechanische Verhalten des Tastkopfes (Abbildung 2 links), mit welchem die Sensorspitze über der Probe positioniert wird. Um die genaue Position der Spitze, welche die Topographie der Probenoberfläche abrastert, zu berechnen, wird ein mechanisches Modell verwendet. Die unbekannten Parameter dieses Modells werden mithilfe einer Laservibrometer-Messung bestimmt.
Da die mechanischen Auslenkungen der Piezoaktoren des Tastkopfes aus Kosten- und Platzgründen nicht über Sensoren gemessen werden, ist eine vorhergehende Identifikation der Piezoaktoren erforderlich. Vor allem das Hysterese-Verhalten piezoelektrischer Wandler stellt eine große Herausforderung dar. Durch die Verwendung des mathematischen Hysteresemodells von COLEMAN und HODGDON gelingt es dieses Problem zu lösen.
Um eine effektive Regelung der Spitzenposition durchzuführen, wird das Verhalten des RTMs in einem Simulationsmodell nachgebildet. Anhand dieses Modells wird der Entwurf eines schnellen Reglers beschrieben der die Dynamik des RTMs erhöht und kurze Aufnahmezeiten ermöglicht.
Die Arbeit beinhaltet detaillierte Beschreibungen des mechanischen Aufbaus und der Elektronik des RTMs in Form von Werkzeichnungen, Schaltplänen und Platinenlayouts. Des Weiteren wird auch eine Anleitung für zwei unterschiedliche Verfahren der Spitzenpräparation gegeben.
Die vorgestellten Methoden und Lösungen sind nicht nur auf das RTM beschränkt, sondern lassen sich direkt auf andere Rastersondenmikroskop-Varianten übertragen.
Schlagwörter: Tunneleffekt, Rastertunnelmikroskop, Rastersondenmikroskopie, Hysterese, Coleman-Hodgdon, Piezoaktor, raue Oberfläche, Laservibrometer
