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Kann man Atome anfassen?Ein Rastermikroskop-Dialog zwischen einem Forscher und einem Schüler |
" ... mit dem Rastertunnelmikroskop (STM) ..." - STM = Scanning Tunneling Microscope
" ... mit dem LEGO-Probiermikroskop (LPM) ..." - LPM = LEGO Probe Microscope
Legt man eine geringe Spannung (mV bis 3 V) zwischen einer Materialprobe und einer sehr kleinen Metallspitze, die sich ganz nahe an der Probe befindet, an, so fließt ein winziger Tunnelstrom (pA bis nA; 1 pA ist 1/1000000000000 Ampère).
Der Tunnelstrom entsteht, da Elektronen die Energiebarriere zwischen Probe und Metallspitze mit einer - geringen - Wahrscheinlichkeit "untertunneln". Der Tunnelstrom I hängt dabei sehr stark vom Abstand d zwischen Probe und Metallspitze ab (I = C exp(- 2 K d)).
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Lässt man das Licht eines Lichtsensors des LEGO®-MINDSTORMS™-Baukastens auf ein weißes Papier scheinen, so misst der Lichtsensor das zurückgeworfene Licht. Der Lichtstrom hängt dabei stark vom Abstand zwischen der Oberfläche und der Lichtsensorspitze ab.
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Aufbauend auf einer Entwicklung bei Prof. Dr. R. Möller,
Universität Essen
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Man kann die Spitze in festem Abstand über der Oberfläche schweben lassen, indem man den Tunnelstrom/Lichtstrom durch ständige kleine Auf- und Abwärtsbewegungen der Spitze konstant einregelt. Bewegt man nun die Spitze langsam über die Oberfläche der Probe, so folgt sie dem Oberflächenrelief, was über das Regelsignal registriert werden kann.
Mit einem systematischen Abrastern (Scannen) in x- und y-Richtung kann die Struktur der Oberfläche abgebildet werden.
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Und die Programmierung war eigentlich gar nicht so schwierig: Das Java-Programm auf dem RCX, der als Firmware "lejos" geladen hat, übersendet die Messwerte an den PC, der mit einem Java-Programm den Abstand von der Oberfläche durch die Grauschattierung darstellt.
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Scan eines 2x3-Noppensteins mit dem LPM. Der Noppendurchmesser beträgt 5 cm, ebenso der Abstand. |
Ausschnitt aus dem Java-Programm unter lejos, mit dem das linke Bild erstellt wurde. Ein Programmbeispiel ist am Ende der lejos-Installationsanweisung zu finden. |
... ähm das Programm muss noch dokumentiert werden - und außerdem ist es eigentlich mein Betriebsgeheimnis …
Das Rastertunnelmikroskop hat die Oberflächenphysik vollkommen verändert.Es kann inzwischen an Luft, im Ultra-Hochvakuum oder auch fast am absoluten Nullpunkt betrieben werden. Die Abbildungen von Atomen, atomaren Kristallstufen, Molekülen sind heute Stand der Technik.
Zum Rastertunnelmikroskop haben sich viele Varianten hinzugesellt: Das Rasterkraftmikroskop, das Magnetkraftmikroskop, das Rasterrauschmikroskop, das scannende Lichtmikroskop (SNOM), ...
Es ist z. B. auch gelungen Eisenatome über eine Kupferoberfläche zu "ziehen" und im Kreis anzuordnen. In dem Kreis entsteht dann eine "sichtbare" Elektronenwelle ähnlich einer Wasserwelle nach einem Steinwurf.
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Modernes Vier-Spitzen-Gerät der Fa. OMICRON NanoTechnology GmbH (www.omicron.de) |
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Abbildung von Kristallen, Atomen und Molekülstrukturen |
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Einzelatome einer Nickeloberfläche (IBM) |
Regelmäßige Molekülanordnung (Kupfer-Phthalocyanin-Moleküle auf einer Silberoberfläche; Quelle: R. Möller, Universität Essen, www.ilp.physik.uni-essen.de/moeller) |
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Nanotechnologie mit dem
Rasterkraftmikroskop (AFM=Atomic Force Microscope) |
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Entstehung des „Atomatolls“. Das AFM bewegt die Fe-Atome auf einer Kupferoberfläche (IBM) |
Weitere Geometrien aus Eisenatomen auf Kupfer (IBM) |
Falschfarben-Atomatoll |
Falschfarben-Atomstation (IBM) |
Au ja, auf zum Baggersee und in die Wellen!
... einiges später: Jetzt hat auch der Schüler ein Modell für ein Rasterkraftmikroskop aufgebaut, den LEGO-Atom-Roboter (LAR)
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LAR – LEGO-Atom-Roboter: |
Steuerprogramm für den LAR am PC. (Programmbeispiel) |
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Computer-Aided-Design der Laufkatze des LARs. |
Tischtennisball-Muster, das vom LAR gelegt wurde. |
