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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schärfung einer Spitze nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere einer Rastertunnelmikroskop-Spitze
sowie eine geschärfte
Spitze.
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Die
Methode der Rastertunnelmikroskopie hat in den letzten 20 Jahren
die direkte Abbildung von Oberflächen
revolutioniert (Physik Nobelpreis 1986). Viele tausend Rastertunnelmikroskope
werden zur Charakterisierung der Oberflächenmorphologie in Forschung,
Lehre und Industrie eingesetzt. Das Grundprinzip des Rastertunnelmikroskops
beruht auf dem "Abtasten" der Oberfläche durch
eine scharfe Spitze. Ist das letzte Ende der Spitze scharf genug, kann
eine Oberfläche
mit atomarer Genauigkeit abgebildet werden.
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Die
Qualität
der Spitze ist entscheidend für die
Abbildungsqualität
des Rastertunnelmikroskops. Da die Qualität der Spitze für die Abbildung
entscheidend von den letzten Atomen der Spitze bestimmt wird, ist
die Qualität
einer Spitze nicht vorher messbar, sondern die Abbildungsqualität einer
Spitze zeigt sich erst während
des Betriebes des Rastertunnelmikroskops.
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Der
Einsatz des Rastertunnelmikroskops im Ultrahochvakuum erlaubt die
Abbildung von reinen Oberflächen
ohne Oxide oder andere durch die Luft bedingte Kontaminatio nen.
Bei der Abbildung der Oberflächen
von harten Materialien, wie zum Beispiel Silizium und Germanium,
verschlechtert sich die Abbildungsqualität der geätzten Wolframspitze oft schon
nach einem Einsatz von wenigen Tagen. Insbesondere nach einem unter
normalen Bedingungen ungewollten mechanischen Kontakt zwischen Spitze und
Probe ("Tipcrash") verschlechtert
sich die Abbildungsqualität
der Spitze oft drastisch. Durch den Kontakt der Wolframspitze mit
der harten Probe (Vickershärte
ca. 3500 MN/m2) wird die Wolframspitze stumpfer.
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Für die Herstellung
scharfer Spitzen gibt es verschiedene Verfahren. Ein weit verbreitetes
Verfahren ist das elektrochemische Ätzen eines Wolframdrahtes (Ibe
et al. J. Vac. Sci. Technol. B 12 (1994) 3187). Nachdem die Qualität der Abbildung von
Oberflächen
aus harten Materialien abgenommen hat, wird die Spitze des Rastertunnelmikroskops durch
eine neue ersetzt. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass ein
Austauschen der Spitze im Ultrahochvakuum erheblichen Aufwand bedeutet,
den man vermeiden möchte.
Mit dem Ausbau der Spitze aus dem Rastertunnelmikroskop ist Arbeitszeit
und damit sind Kosten verbunden.
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In
der Veröffentlichung „Scanning
Tunneling Microscopy and its Application" von Chunli Bai Springer Verlag ISBN
3-540-59346-2 Seiten 72 bis 83 wird gezeigt, dass Spitzen durch
Eintauchen in Ätzlösungen hergestellt
werden können.
Weiterhin wird gezeigt, dass sich die Auflösung von Rastertunnelmikroskopspitzen verbessert,
wenn sie mit der Spitze der Probe in Kontakt gebracht werden.
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Die
Veröffentlichung "A point field emission tungsten
cathode obtained by faceting of the tungsten surface inducted by
ultrathin gold film, Observations by means of scanning field emission
microscope" von
Stanislaw Sendecki und Bogdan Barwinski in Applied Surface Science
134 (1998) Seiten 243 bis 246 offenbart, dass eine ultradünne Schicht
von Gold auf eine Spitze aufgedampft worden ist.
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Das
US-Patent 6,017,590 offenbart eine Spitze, die mit einem Softpolimer
als Coating beschichtet ist.
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Das
US-Patent 5,085,746 offenbart eine Herstellung einer Spitze unter
Verwendung einer Ätzflüssigkeit.
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Die
Veröffentlichung „Local
fluorescent probes for the fluorescence resonance energy transfer scanning
near-field optical microscopy" aus
Applied Physics Letters Volume 80, Number 15 vom 15. April 2002
Seiten 2625 bis 2627 zeigen ein Verfahren bei dem eine Spitze mit
einer Lösung
enthaltend Chloroform Farbstoff sowie PMMA getaucht wird.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Schärfen einer
Spitze, insbesondere einer Spitze eines Rastertunnelmikroskops zu
schaffen, welches zeitsparend, einfach und damit verbunden kostengünstig ist.
Weiterhin soll eine geschärfte Spitze
zur Verfügung
gestellt werden.
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Ausgehend
vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, durch die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es nunmehr möglich,
Spitzen, insbesondere Rastertunnelmikroskop-Spitzen auf einfache und kostengünstige Weise
zu schärfen.
Die geschärften
Spitzen ermöglichen
eine atomgenaue Auflösung
einer Oberfläche.
Die Oberfläche
der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Spitze besteht aus besonders reinem Material.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Figuren zeigen beispielhafte Ausführungen der Erfindung sowie
die Abbildung einer Oberfläche,
die mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Spitze
eines Rastertunnelmikroskops aufgenommen wurde.
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Es
zeigt:
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1:
Bead-Kristall aus Platin mit einem Draht (Durchmesser ca. 2 mm).
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2:
Orientierter und polierter Pt-Bead-Kristall (Durchmesser ca. 2 mm) mit
zwei Zuleitungsdrähten
(Durchmesser 0,5 mm).
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3:
Ein sehr gleichmäßig auf
Rotglut erhitzter Bead-Kristall aus Pt.
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4:
Rastertunnelmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines Pt-Bead-Kristalls
mit zwei Drähten
nach der Reinigung durch Heizen mit direktem Stromdurchgang (700 × 700 Å).
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5:
Rastertunnelmikroskopische Abbildung einer Si (111) Oberfläche mit
einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
geschärften
Spitze, die eine atomare Auflösung
liefert.
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Erfindungsgemäß wird die
zu schärfende Spitze
zum Schärfen
mit einem weichen Material in Kontakt gebracht.
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Als
weiches Material im Sinne der Erfindung ist ein Material einer Härte von
höchstens
550 MN/m2 anzusehen.
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Als
derartige Materialien können
Metalle, insbesondere Edelmetalle angeführt werden. Beispielhaft können Platin,
Gold, Silber, Rhenium, Rhodium, Iridium, Palladium, Kupfer und Nickel
genannt werden. Edelmetalle haben dabei den Vorteil, dass sie auch
unter athmosphärischen
Bedingungen oder anderen nicht inerten Bedingungen zum Schärfen der
Spitzen verwendet werden können.
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Die
zu schärfende
Spitze wird mit dem weichen Material in Kontakt gebracht bzw. vorzugsweise in
das Material eingetaucht. Die Eintauchtiefe beträgt dabei vorzugsweise 50–100 nm,
besonders bevorzugt 70 nm.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung liegt das weiche Material in Form eines Einkristalls,
vor, da dieser eine Oberfläche
hat, die besonders glatt ist und an der Höhenunterschiede von einer Atomlage
bestehen. Die Oberfläche
des Einkristalls ist daher besonders gut geeignet, die Qualität, das heißt die Schärfe der
Spitze eines Rastertunnelmikroskops nach dem Eintauchen in das weiche
Material zu testen, da hier die Auflösung in der Größenordnung
eines Atoms auf Grund der Einkristallstrukur getestet werden kann.
Hierzu wird die Spitze in das weiche Material eingetaucht oder mit ihm
in Kontakt gebracht und nachdem der Kontakt zwischen der Spitze
und der Probe unterbrochen wurde über die Oberfläche der
Probe gefahren, wobei eine reine rastertunnelmikroskopische Aufnahme des
weichen Materials erzeugt wird. Entspricht die Auflösung einer
Atomstärke,
so ist die Güte
der regenerierten Spitze sehr gut und das Spitzen ist beendet. Alternativ
kann die frisch angespitzte Spitze auch über eine andere Oberfläche geführt werden,
die zu Zwecken der Auflösungsqualität herangezogen
wird, jedoch handelt es sich dabei um eine weniger bevorzugte Ausführungsform.
Sollte die Auflösung
noch nicht gut genug sein, so kann das Eintauchen wiederholt werden.
Bei Vorliegen eines Einkristalls hat das weiche Material die Reinheit,
die für
das jeweilige Material bei Vorliegen der Einkristallstruktur natürlich gegeben
ist. Das "kontrollierte
Eintauchen" der
Spitze in das weiche Metall führt,
im Gegensatz zum Verhalten bei harten Materialien, zu einer Regenerierung der
Abbildungsqualität.
Wahrscheinlich wird die Spitze beim Eintauchen bzw. in Kontakt bringen
in das weiche Metall mit einer Schicht des weichen Me talls überzogen
und es bildet sich eine "frische" Spitze.
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Zur
Verbesserung der Abbildungsqualität auf harten Materialien kann
nun eine Regenerierung der Spitze durch definiertes Eintauchen oder
in Kontakt bringen der Spitze in ein weiches Material erreicht werden.
Die Durchführung
einer solchen Regenerierung bedeutet allerdings einen großen Aufwand,
da die Probe aus weichem Metall zunächst im Ultrahochvakuum gereinigt
werden muss.
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Das
weiche Material soll vor dem Spitzen der Spitze vorzugsweise gereinigt
werden, damit sich an der Spitze keine Verunreinigungen ansammeln.
Dies geschieht vorzugsweise durch Sublimation. Eine Sublimation
kann beispielsweise durch elektrisches Aufheizen des weichen Materials
erfolgen. Es sind auch andere Möglichkeiten
denkbar, das weiche Material an seiner Oberfläche zu reinigen, wie zum Beispiel
Ionenätzen
oder der Beschuss mit Laserlicht, jedoch ist das elektrische Aufheizen
besonders einfach, da es mit einfachen Mitteln im Ultrahochvakuum durchgeführt werden
kann.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird ein Einkristall
in Form eines Bead-Kristalls verwendet.
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Im
Folgenden wird eine Methode zur einfachen und preisgünstigen
Herstellung von Metall oder Edelmetall Einkristallen (besonders
Platin und Gold) beschrieben, deren Oberflächenreinigung im Ultrahochvakuum
(UHV) sehr einfach ist. Die Kristalle können durch Heizen gerei nigt
werden. Eine Reinigung durch Ionenätzen ist nicht mehr erforderlich.
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Bead-
bzw. Perleneinkristalle können
durch Anschmelzen eines aus Edelmetall oder auch anderen Werkstoffen
bestehenden ca. 0,1 bis 2 mm dünnen
Drahtes hergestellt werden. Das Drahtende wird vorzugsweise mit
einer feinen Gasflamme aufgeschmolzen und durch Bewegung der Gasflamme
entlang der Drahtachse bildet sich am Drahtende eine flüssige Metallperle.
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Oberhalb
der Perle rekristallisiert der Draht und es bildet sich ein Wachstumskeim.
An diesem Keim bildet sich bei der Erstarrung der flüssigen Materialkugel
ein Einkristall (siehe 1). Die oben beschriebene Herstellung
von Bead-Kristallen wird von J. Clavilier et al., im J. Electroanal.
Chem. 107 (1980) 211 beschrieben.
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Für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es besonders vorteilhaft, Bead-Kristalle mit zwei Drahtanschlüssen zu
verwenden, da der Bead-Kristall über
die beiden Drähte elektrisch
aufgeheizt werden kann. Das elektrische Aufheizen bewirkt dann eine
Reinigung des Bead-Kristalls. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft,
da der Bead-Kristall innerhalb des UHV gereinigt werden kann. Hierdurch
kann Arbeitszeit und damit Kosten gespart werden.
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Bei
der Doppeldrahtmethode werden die Kristalldrähte erfindungsgemäß verdrillt
oder an einem Ende im Wesentlichen parallel in Kontakt gebracht
und dann aufgeschmolzen. Durch Zonenschmelzen der Kugel bildet sich
nach einigen Glühzyklen
an einem der beiden Drähte
ein Einkristall-Keim, der sich über
die Kugel bis zum anderen Draht hin ausbreitet. Die Kugel erstarrt
dann zu einem Einkristall.
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Die
bei der Erstarrung auf der Oberfläche der Perle entstehenden
Kristallfacetten können
zur kristallographischen Orientierung der Kristalle genutzt werden.
Die orientierte Facette wird angeschnitten und poliert. 2 zeigt
einen orientierten und polierten Bead-Kristall mit zwei Zuleitungsdrähten.
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Der
Bead-Kristall kann mit direktem Stromdurchgang durch die beiden
Zuleitungsdrähte
geheizt werden. Bei einem Strom von etwa 5A kann der Kristall sehr
gleichmäßig auf
Rotglut geheizt werden, wie es in 3 abgebildet
ist. Durch Heizen bei 10A wird eine Temperatur von 1100°C erreicht.
Durch ein solches Heizen im Ultrahochvakuum kann. die Oberfläche des
Bead-Kristalls gereinigt werden. Im Vakuum ist der Partialdruck
von Verunreinigungskomponenten so niedrig, dass eine Rekontamination
der Kristalloberfläche
nicht stattfindet. Ein besonders bevorzugter Druckbereich liegt
bei p < 10–9 mbar.
Eine Reinigung kann jedoch auch noch bei einem Druck von 10–8 mbar
erfolgen.
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Beispiel:
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Nach
der Reinigung des Bead-Kristalls wird der Kristall als Probe in
das Rastertunnelmikroskop eingebaut und die Probe an die Spitze
des Rastertunnelmikroskops angenähert.
Eine Abbildung der Oberfläche
des Bead-Kristalls
zeigt saubere, atomar glatte Terrassen, be grenzt durch atomar hohe
Stufen an der Kristalloberfläche,
wie in 4 dargestellt.
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Das
erfindungsgemäße Regenerieren
der Spitze erfolgt durch definiertes Eintauchen der Spitze in die
saubere Probe weichen Materials (Bead-Kristall). Dazu wird die Abstandsregelung
des Rastertunnelmikroskops abgeschaltet. Bei einer Spannung an der
Probe von 10 V wird die Spitze 50–100 nm in die Probe eingetaucht.
Der fließende
Strom wird durch einen Widerstand von 1 kΩ auf einen Wert von 10 mA begrenzt.
Die Spitze wird 50–100
nm in die Probe eingetaucht. Dann wird die Spitze langsam (Dauer ca.
1 min) wieder aus der Probe herausgezogen, bis der Strom abreißt und auf
Null zurück
geht. Dies tritt erst bei einer Entfernung oberhalb der Probe auf,
bei der die Spitze vor dem Eintauchen noch nicht im Kontakt mit
der Probe war. Die Spitze wird nach dem Eintauchen typischerweise
50–100
nm länger,
als sie vorher war. Die Annahme ist, dass die Probe durch den fließenden Strom
im Bereich nahe der Spitze lokal aufschmilzt. Die Dauer von ca.
einer Minute wird dabei weniger durch die Kontaktzeit zwischen Spitze und
Bead-Kristall, sondern
durch die damit verbundenen Handlungsabläufe bestimmt. Beim Zurückziehen
der Spitze wird ein neues Ende der Spitze aus der lokalen Platin-Schmelze gezogen.
Das Ende der Spitze wird dadurch mit dem weichen Material, wie beispielsweise
Platin überzogen.
Da die Platinprobe eine Einkristallprobe ist und monoatomare Stufen
in regelmäßigen Abständen besitzt,
kann die Qualität der
Abbildung mit der neuen Spitze sofort kontrolliert werden. Gegebenenfalls
kann die Regenerierung der Spitze wiederholt werden, bis die Abbildungsqualität ausreichend
ist. Dann wird die Platin probe wieder durch die Probe aus hartem
Material ersetzt. Fast immer kann nach der Regenerierungprozedur
atomare Auflösung
auf dem harten Material (Silizium) erreicht werden. Die mit Platin überzogene
regenerierte Spitze ist auch nach einem mechanischen Kontakt zwischen
Spitze und Probe (Tipcrash) wesentlich unempfindlicher als eine
reine Wolframspitze. Eine mit Platin überzogene Spitze bietet wesentlich
länger eine
hohe Abbildungsqualität
als eine Wolframspitze.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
alle in der Rastertunnelmikroskopie verwendeten Spitzen angespitzt
bzw. regeneriert werden. Die häufigsten
Materialien für
Spitzen sind Wolfram, Iridium und Platiniridium.