Thermospannung

Thermospannung in der Rastertunnelmikroskopie

Wenn Spitze und Probe eines Rastertunnelmikroskops (STM) unterschiedliche Temperaturen haben, kann zwischen ihnen eine Spannung entstehen. Diese Thermospannung ähnelt dem bekannten thermoelektrischen Effekt: Beide werden durch die unterschiedliche Verbreiterung der Fermiverteilungen und die verschiedenen elektronischen Zustandsdichten von Spitze und Probe hervorgerufen.

Die elektronische Zustandsdichte ist verknüpft mit den chemischen Eigenschaften. Bei gleichbleibender Spitze ist es also möglich, chemisch unterschiedliche Bereiche der Probe zu unterscheiden.

Die Verbindung der chemischen Analysemöglichkeit mit der hohen Ortsauflösung eines STMs machen es möglich, Fremdatome auf einer Oberfläche oder sogar verschiedene Bindungszustände gleicher Atome zu unterscheiden.

Abb 1.: Topographie der Si(111)-7x7 Rekonstruktion: man kann unterschiedliche Höhen von faulted und unfaulted sites erkennen.
Abb 2.: Thermospannung: Die Siliziumatome treten in 4 verschiedenen Bindungszuständen auf, die im Thermospannungssignal unterschieden werden können.

Experimentelle Methode

Abb 3.: Regelkreis

Um die kleine (wenige mV) Thermospannung nicht durch eine angelegte Tunnelspannung zu überdecken, muss dieses STM quasi ohne Spannung zwischen Spitze und Probe arbeiten.

Zur Höhenregelung wird eine kleine Wechselspannung benutzt: Der Wechselstromanteil des Tunnelstroms (oberer Kreis im Schema rechts) wird für eine übliche Abstandsregelung benutzt, die auch die Topographiebilder liefert.

Die Thermospannung würde einen zusätzlichen Gleichstrom liefern: Der Gleichstromanteil des Tunnelstroms (unterer Kreis) steuert eine Kompensationsspannung, die den mittleren Tunnelstrom bei Null hält. Dann entspricht die Kompensationsspannung gerade der Thermospannung und kann auch aufgenommen werden.