Rastertunnelmikroskop bauen/Effekt zeigen

Hallo liebe Experten,

ich habe mich jetzt auf das Rastertunnelmikroskop festgelegt, und bin dabei, eine Präsentation vorzubereiten. Mein Lehrer erwartet aber keinen Langweiligen Vortrag, sondern eine Unterichtsstunde inkl. Experimenten.

Da ich die schüler schlecht selber ein Rastertunnelmikroskop bauen lassen kann, werde ich vermutlich ein Experiment vorne durchführen.

Dies soll entweder die existenz eines Tunnelstroms beweisen, einen Piezokristall bei der verformung zeigen oder aber eine Struktur abfühlen.

Hat jemand eine idee für eine schöne durchführung?

mfg guseman

PS: der link „RTM selber bauen“ funzt nicht.

Hallo!

ich habe mich jetzt auf das Rastertunnelmikroskop festgelegt,
und bin dabei, eine Präsentation vorzubereiten. Mein Lehrer
erwartet aber keinen Langweiligen Vortrag, sondern eine
Unterichtsstunde inkl. Experimenten.

Was hat das RTM nun mit Linsen zu tun? Ist das Thema tatsächlich von Deinem Lehrer abgesegnet worden? Nicht dass es nachher ein „Thema verfehlt“ hagelt…

Da ich die schüler schlecht selber ein Rastertunnelmikroskop
bauen lassen kann, werde ich vermutlich ein Experiment vorne
durchführen.

Dies soll entweder die existenz eines Tunnelstroms beweisen,
einen Piezokristall bei der verformung zeigen oder aber eine
Struktur abfühlen.

Den Tunneleffekt kann man am besten mit Mikrowellen und Polyethylenklötzen demonstrieren. Das führt aber meiner Meinung nach viel zu weit vom Thema weg. http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~praktiku/Anleitu… Absatz 2.6

Am Piezokristall sieht man sehr wenig, weil die Verformung kaum der Rede wert ist (soll ja auch so sein!).

Was mir einfallen würde, wäre ein Modellexperiment. Denkbar wäre eine Glaswanne, in der ein Wellblech in Salzwasser liegt. Das Wellblech wird auf ein bestimmtes positives Potenzial gelegt. Eine Graphit-Elektrode schließt Du über ein Amperemeter an den Minuspol an. Nun hältst Du die Graphitelektrode senkrecht ins Salzwasser und misst den Strom. Das ist das Modell für den Tunnelstrom. Dieser sollte vom Abstand zwischen Wellblech und Graphit-Elektrode abhängen.

Den Rest darfst Du Dir selbst überlegen.

Michael

PS: Ich habe es noch nie ausprobiert, habe also keine Ahnung ob es klappt.

und nochwas…
Da fällt mir noch ein, dass bei dem „kontanter Strom“-Modus nirgendwo steht, mit was für einem gerät die höhenveränderungen der nadel registriert/in digitale daten verwandelt werden. ein geodreieck tuts wahrscheinlich nicht.

mfg guseman

Hallo guseman,

Da fällt mir noch ein, dass bei dem „kontanter Strom“-Modus
nirgendwo steht, mit was für einem gerät die
höhenveränderungen der nadel registriert/in digitale daten
verwandelt werden. ein geodreieck tuts wahrscheinlich nicht.

Der Abstand wird über ein Piezo-Element so geregelt, dass der Strom konstant bleibt.
Die Spannung an diesem Piezo-Element entspricht dann der Höhe.

MfG Peter(TOO)

Also zum Tunnelstrom fällt mir prinzipiell mal eine
Tunneldiode ein. Elektronen „tunneln“ durch die Sperrschicht
hindurch. Sieht man aber nix, außer dem „zweiten Hubbel“ in
der Kennlinie, und um den zu erreichen braucht man nichtmal ne
Tunneldiode.
Klar, ein RTM kannst du damit nicht nachbauen, aber:
das Prinzip eines RTM kannst du nachbauen.
Es geht beim RTM ja darum : Die Sonde fährt über die Probe und
eine Elektronik misst den Stromfluss zwischen Sonde und Probe.
Dieser hängt vom Abstand ab, so kann das Oberflächenprofil
nachgezeichnet werden. Und genau dies kannst du ja nachbauen, allerdings
z.b. mit mechanischem Kontakt und ohne Tunnelstrom …
Z.b. wegaufnehmner an X-Y- Schreiber oder so …

Was hat das RTM nun mit Linsen zu tun? Ist das Thema
tatsächlich von Deinem Lehrer abgesegnet worden? Nicht dass es
nachher ein „Thema verfehlt“ hagelt…

Das hab ich mich auch schon gefragt… Eigentlich merkwürdig, dabei bin ich mir sicher, dass er das RTM genannt hat… Meinte er vieleicht ein Rasterelektronenmikroskop?

Da ich die schüler schlecht selber ein Rastertunnelmikroskop
bauen lassen kann, werde ich vermutlich ein Experiment vorne
durchführen.

Dies soll entweder die existenz eines Tunnelstroms beweisen,
einen Piezokristall bei der verformung zeigen oder aber eine
Struktur abfühlen.

Den Tunneleffekt kann man am besten mit Mikrowellen und
Polyethylenklötzen demonstrieren. Das führt aber meiner
Meinung nach viel zu weit vom Thema weg.
http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~praktiku/Anleitu…
Absatz 2.6

Tut mir leid, aber das hab ich nicht verstanden.

Am Piezokristall sieht man sehr wenig, weil die Verformung
kaum der Rede wert ist (soll ja auch so sein!).

Was mir einfallen würde, wäre ein Modellexperiment. Denkbar
wäre eine Glaswanne, in der ein Wellblech in Salzwasser liegt.
Das Wellblech wird auf ein bestimmtes positives Potenzial
gelegt. Eine Graphit-Elektrode schließt Du über ein
Amperemeter an den Minuspol an. Nun hältst Du die
Graphitelektrode senkrecht ins Salzwasser und misst den Strom.
Das ist das Modell für den Tunnelstrom. Dieser sollte vom
Abstand zwischen Wellblech und Graphit-Elektrode abhängen.

Also fließt kein Tunnelstrom, sondern ein „normaler“ Strom durch das Salzwasser zur Elektrode. Der Stromfluss variiert zur distanz der pole.
Also könnte mann auch einfach mit einem unterschiedlich langen draht die pole verbinden, und so einen unterschiedlichen Strom messen?

mfg guseman

Der Abstand wird über ein Piezo-Element so geregelt, dass der
Strom konstant bleibt.
Die Spannung an diesem Piezo-Element entspricht dann der Höhe.

Auch das kann ich leider nicht verstehen. Nochmal:

An einem Pol hängt das Piezo-Element, an diesem die elektrisch leitende Spitze. An das zu untersuchende material wird der entgegengesetzte Pol angeschlossen. Kommt nun ein Tunnelstrom zustande(warum, wenn der kreis nicht geschlossen sein kann(wegen des nichtleitenden Piezo-Elements)?) zieht der piezokristall sich zusammen(kann das jemand erklären?), weil eine Spannung angelegt ist. So ist der Kristall stets um höhenausgleich bemüht.

Wo und Warum verändert sich die Spannung? Warum gibt es da den Tunnelstrom?

mfg guseman

Hallo guseman,

Wo und Warum verändert sich die Spannung? Warum gibt es da den
Tunnelstrom?

Vielleicht solltest du dich zuerst einmal mit den Grundlagen befassen?

http://de.wikipedia.org/wiki/Piezo-Effekt
http://de.wikipedia.org/wiki/Tunneleffekt
http://de.wikipedia.org/wiki/Rastertunnelmikroskop

MfG Peter(TOO)

Hallo!

Was hat das RTM nun mit Linsen zu tun? Ist das Thema
tatsächlich von Deinem Lehrer abgesegnet worden? Nicht dass es
nachher ein „Thema verfehlt“ hagelt…

Das hab ich mich auch schon gefragt… Eigentlich merkwürdig,
dabei bin ich mir sicher, dass er das RTM genannt hat…
Meinte er vieleicht ein Rasterelektronenmikroskop?

Nein, vermutlich hat er ein Transmissionselektronemikroskop gemeint, dass völlig genauso wie ein Lichtmikroskop funktioniert (nur werden statt Licht Elektronen und statt Glaslinsen Magnetlinsen verwendet).

Den Tunneleffekt kann man am besten mit Mikrowellen und
Polyethylenklötzen demonstrieren. Das führt aber meiner
Meinung nach viel zu weit vom Thema weg.
http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~praktiku/Anleitu…
Absatz 2.6

Tut mir leid, aber das hab ich nicht verstanden.

Man hat zwei Kunststoffklötze (oder Paraffinklötze), zwischen denen ein schräger Spalt liegt. Mikrowellen werden an dem Spalt total reflektiert. Das ist genau dasselbe wie mit Licht. Totalreflexion heißt „total“, weil 100% der Intensität reflektiert wird. Eigentlich dürfte überhaupt nichts durch den Luftspalt gelangen. Wenn man aber mit dem anderen Klotz nahe genug heran kommt, dann tunnelt plötzlich ein Teil der Intensität in den anderen Klotz, obwohl die Bedingung für die Totalreflexion scheinbar immer noch erfüllt ist.

Im Prinzip ginge das alles auch mit Licht und Glasprismen, aber die Abstände, bei denen der Tunneleffekt auftritt, sind bei Licht so klein, dass man das kaum handhaben kann.

Aber Dir geht es ohnehin um tunnelnde Elektronen und nicht um tunnelnde Photonen, weshalb des Experiment - wie gesagt - für Deine Zwecke ziemlich ungeeignet ist.

Also fließt kein Tunnelstrom, sondern ein „normaler“ Strom
durch das Salzwasser zur Elektrode. Der Stromfluss variiert
zur distanz der pole.
Also könnte mann auch einfach mit einem unterschiedlich langen
draht die pole verbinden, und so einen unterschiedlichen Strom
messen?

Schon, aber was hätte das dann noch mit RTM zu tun? Das entscheidende ist doch, dass der Abstand zwischen Elektrode und Oberfläche von der Form der Oberfläche abhängt. Und das kann man eben sehr schön mit der von mir vorgeschlagenen Versuchsanordnung zeigen.

Aber bevor Du Dich da noch weiter reinkniest, solltest Du mal Deinen Lehrer fragen, ob er tatsächlich das RTM meint, bevor Du irgendwelche Dummheiten machst…

Michael

Schülerprojekt
Hallo,

Der Abstand wird über ein Piezo-Element so geregelt, dass der
Strom konstant bleibt.
Die Spannung an diesem Piezo-Element entspricht dann der Höhe.

Auch das kann ich leider nicht verstehen. Nochmal:

hier am Gymnasium in der Nähe haben ein paar Schüler ein
Rastertunnelmikroskop selbst gebastelt.
http://www1.vde.com/Bezirksvereine/Dresden/Aktuelles…
Der AG-Leiter (Student und ebenfalls ehemaliger Schüler des Gymnasiums) hat bei mir Praktikum gemacht :smile: Auch ein sehr pfiffiger Bursche.
Gruß Uwi

Ich glaube, du missverstehst mich:

Hier existiert ein Stromkreis, der an zwei punkten nicht geschlossen ist(also keiner). Wenn man mir sagen würde, dass da nur eine lücke wäre, könnt ich den tunnelstrom nachvollziehen, aber da die Elektronen nicht einmal zum Pluspol gelangen, indem sie die luft durchtunneln, warum sollten sie dann überhaupt den Nichtleiter durchtunneln???

Und zum Piezo-Element:
Wo kommt denn die Spannung her, wenn der piezokristall nicht der einzige nichtleiter im kreis ist?
Und wenn es die spannung gibt, so ist doch der Piezokristall dazu da, jene konstant zu halten. Das heißt, das die einzige sich veränderde Stelle die Form des piezokristalls ist, oder?

mfg guseman

Hallo guseman,

Hier existiert ein Stromkreis, der an zwei punkten nicht
geschlossen ist(also keiner). Wenn man mir sagen würde, dass
da nur eine lücke wäre, könnt ich den tunnelstrom
nachvollziehen, aber da die Elektronen nicht einmal zum
Pluspol gelangen, indem sie die luft durchtunneln, warum
sollten sie dann überhaupt den Nichtleiter durchtunneln???

Welchen Nichtleiter?

Die Abtastspitze wird im Abstand einiger Atomdurchmesser über die Oberfläche geführt, da tunnelt es sich Problemlos. Und Grundsätzlich können mit dem RTM nur elektrisch leitende Proben untersucht werden.

Es gibt noch das RasterKraftMikroskop, welches etwas anders funktioniert. Das RKM funktioniert auch mit Nichtleitern.
http://de.wikipedia.org/wiki/Rasterkraftmikroskop

Das RasterElektronenMikroskop funktioniert auch nur bei leitenden Oberflächen. Für REM werden deshalb die Proben meist mit einer, wenige Atomlagen dicker, Goldschicht überzogen.

Und zum Piezo-Element:
Wo kommt denn die Spannung her, wenn der piezokristall nicht
der einzige nichtleiter im kreis ist?

Die Spannung kommt aus der Steckdose :wink:

Und wenn es die spannung gibt, so ist doch der Piezokristall
dazu da, jene konstant zu halten. Das heißt, das die einzige
sich veränderde Stelle die Form des piezokristalls ist, oder?

Hast du die Links nicht gelesen?

Der Piezo-Effekt funktioniert in beide Richtungen:

  1. Das Piezoelement, wandetl eine mechanische Verformung in eine Spannung.
  2. Eine angelegte Spannung erzeugt eine Verformung des Piezoelements.

Beim RTM werden die Piezoelemente als Stellmotoren eingesetzt.

MfG Peter(TOO)

Welchen Nichtleiter?

Die Luft.

Die Abtastspitze wird im Abstand einiger Atomdurchmesser über
die Oberfläche geführt, da tunnelt es sich Problemlos. Und
Grundsätzlich können mit dem RTM nur elektrisch leitende
Proben untersucht werden.

Es gibt noch das RasterKraftMikroskop, welches etwas anders
funktioniert. Das RKM funktioniert auch mit Nichtleitern.
http://de.wikipedia.org/wiki/Rasterkraftmikroskop

Das RasterElektronenMikroskop funktioniert auch nur bei
leitenden Oberflächen. Für REM werden deshalb die Proben meist
mit einer, wenige Atomlagen dicker, Goldschicht überzogen.

Ja, ich weiß, aber darum gehts nicht.

Und zum Piezo-Element:
Wo kommt denn die Spannung her, wenn der piezokristall nicht
der einzige nichtleiter im kreis ist?

Die Spannung kommt aus der Steckdose :wink:

boff.

Hast du die Links nicht gelesen?

Der Piezo-Effekt funktioniert in beide Richtungen:

  1. Das Piezoelement, wandetl eine mechanische Verformung in
    eine Spannung.
  2. Eine angelegte Spannung erzeugt eine Verformung des
    Piezoelements.

Beim RTM werden die Piezoelemente als Stellmotoren eingesetzt.

Ja, aber hier wirkt ja keine Kraft auf das piezoelement, mit der man eine Spannung beobachten kann, sondern eine Spannung, mit der eine Verformung erzeugt wird.

Doch das werde ich jetzt nicht verstehen… vielen dank für deine hilfe, vielleicht komm ich später mit nem weiteren Artikel noch mal drauf zurück, denn beim Vortrag werd ich auf die Form „konstanter strom“ verzichten, da das nur ein nebenthema ist.

mfg guseman

Nein, vermutlich hat er ein Transmissionselektronemikroskop
gemeint, dass völlig genauso wie ein Lichtmikroskop
funktioniert (nur werden statt Licht Elektronen und statt
Glaslinsen Magnetlinsen verwendet).

Erstmal: Er wusste selbst nicht, wo der unterschied zwischen dem RTM und dem REM liegt, und dann:
Das Transmissionsel… hat er nicht gemeint, und nein, das funktioniert nicht wie ein lichtmikroskop, denn bei ersterem werden Elektronen durch das objekt transmittiert, also „Durchgesendet“, und nicht wie das Licht reflektiert.

Den Tunneleffekt kann man am besten mit Mikrowellen und
Polyethylenklötzen demonstrieren. Das führt aber meiner
Meinung nach viel zu weit vom Thema weg.
http://www.physik.uni-wuerzburg.de/~praktiku/Anleitu…
Absatz 2.6

Tut mir leid, aber das hab ich nicht verstanden.

Man hat zwei Kunststoffklötze (oder Paraffinklötze), zwischen
denen ein schräger Spalt liegt. Mikrowellen werden an dem
Spalt total reflektiert. Das ist genau dasselbe wie mit Licht.
Totalreflexion heißt „total“, weil 100% der Intensität
reflektiert wird. Eigentlich dürfte überhaupt nichts durch den
Luftspalt gelangen. Wenn man aber mit dem anderen Klotz nahe
genug heran kommt, dann tunnelt plötzlich ein Teil der
Intensität in den anderen Klotz, obwohl die Bedingung für die
Totalreflexion scheinbar immer noch erfüllt ist.

Im Prinzip ginge das alles auch mit Licht und Glasprismen,
aber die Abstände, bei denen der Tunneleffekt auftritt, sind
bei Licht so klein, dass man das kaum handhaben kann.

Aber Dir geht es ohnehin um tunnelnde Elektronen und nicht um
tunnelnde Photonen, weshalb des Experiment - wie gesagt - für
Deine Zwecke ziemlich ungeeignet ist.

Das ist tatsächlich auch ein schönes experiment, aber ich fürchte, unsere Physiksammlung ist da nich genügend. Ich werd mal nachfragen.

Also fließt kein Tunnelstrom, sondern ein „normaler“ Strom
durch das Salzwasser zur Elektrode. Der Stromfluss variiert
zur distanz der pole.
Also könnte mann auch einfach mit einem unterschiedlich langen
draht die pole verbinden, und so einen unterschiedlichen Strom
messen?

Schon, aber was hätte das dann noch mit RTM zu tun? Das
entscheidende ist doch, dass der Abstand zwischen Elektrode
und Oberfläche von der Form der Oberfläche abhängt. Und das
kann man eben sehr schön mit der von mir vorgeschlagenen
Versuchsanordnung zeigen.

Ja, da hast du recht, war auch nur ein versuch, zu überprüfen, ob ichs kapiert habe. Ich werde den Salzwasserversuch tatsächlich durchführen, allerdings mit einer Kupfersulfid-lösung. das hat den vorteil, das man das nicht unterm abzug machen muss.

Soll ich dir die Ergebnisse schicken?

Aber bevor Du Dich da noch weiter reinkniest, solltest Du mal
Deinen Lehrer fragen, ob er tatsächlich das RTM meint, bevor
Du irgendwelche Dummheiten machst…

Ja, ich hab ihn dann ja gefragt… s. Oben

mfg guseman

Hallo guseman,

Beim RTM werden die Piezoelemente als Stellmotoren eingesetzt.

Ja, aber hier wirkt ja keine Kraft auf das piezoelement, mit
der man eine Spannung beobachten kann, sondern eine Spannung,
mit der eine Verformung erzeugt wird.

Ja.

Doch das werde ich jetzt nicht verstehen… vielen dank für
deine hilfe, vielleicht komm ich später mit nem weiteren
Artikel noch mal drauf zurück, denn beim Vortrag werd ich auf
die Form „konstanter strom“ verzichten, da das nur ein
nebenthema ist.

Der Tunnelstrom ändert sich mit dem Abstand der Spitze zu den Atomen.
Je grösser der Abstand, umso kleiner wird der Tunnelstrom.

Nun wird der Abstand so geregelt, dass der Tunnelstrom konstant ist.
Mechanisch wir der Abstand über die Piezoantriebe geregelt.
Also ist die Spannung am Piezoelement ein Mass für die Position der Nadelspitze.

MfG Peter(TOO)

Der Tunnelstrom ändert sich mit dem Abstand der Spitze zu den
Atomen.
Je grösser der Abstand, umso kleiner wird der Tunnelstrom.

is klar.

Nun wird der Abstand so geregelt, dass der Tunnelstrom
konstant ist.
Mechanisch wir der Abstand über die Piezoantriebe geregelt.
Also ist die Spannung am Piezoelement ein Mass für die
Position der Nadelspitze.

Ich glaube, ich sehe meinen fehler: Ich dachte, das die angelegte Spannung direkt dem Strom entspringt, sodass bei stärkerem Strom der piezokristall sich zusammenzieht.
Es ist aber so, das der Strom in einem Regler gemessen wird, der dann die Spannung vorgibt, um die höhe zu verstellen, oder?

Ich wunderte mich, wie sich in einem einfachen Stromkreis die Spannung von selbst ändert.

mfg guseman

Hallo guseman,

Ich glaube, ich sehe meinen fehler: Ich dachte, das die
angelegte Spannung direkt dem Strom entspringt, sodass bei
stärkerem Strom der piezokristall sich zusammenzieht.
Es ist aber so, das der Strom in einem Regler gemessen wird,
der dann die Spannung vorgibt, um die höhe zu verstellen,
oder?

Tja, wer lesen kann und nicht zu faul ist meinen links zu folgen, hat Vorteile!

Dieses Bild ist bei Wiki im verlinkten Artikel:
http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:STMFunktionsprinz…

Wobei da eigentlich noch ein Fehler im Bild ist:
Für die Bilderzeugung werden x, y und Z benötigt, soll ja 3D sein.

MfG Peter(TOO)

Für weitere Interessierte:
Falls wer anders diesen Artikel ließt und Interesse an einem Nachbau für das Mikroskop hat, sollte er sich mal diese anleitung für das RTM durchlesen: http://www.iqo.uni-hannover.de/ap/stm/stm_deutsch.pdf
Das kriegt jeder hin!

Außerdem gibts hier noch ne software für eine RTM-Simulation:
http://www.naturwissenschaften-entdecken.de/stm-simu…

Ich hoffe die Links bestehen noch ein bisschen…

Viel Spaß! mfg guseman

Hallo,

und hier ein weiterer Link zu einer Anleitung zum Selberbauen eines Rastertunnelmikroskops, und auch ein Rasterkraftmikroskop in der Testphase:
http://sxm4.uni-muenster.de/introduction-de.html

mfg
Christof

Ich versteh das mit diesem link nicht. der Funktioniert doch nicht richtig! Den hab ich auch schon in einem älteren artikel hier geklickt:

Auf der Seite gibts keine anleitung!

Wenn man dann den link zu www.nano… nimmt, kommt immer noch keine anleitung!

Und auf der ganzen 3sat seite gibt es auch keine anleitung!

mfg guseman