Mikroskop

Einige Mikroskope tasten die Oberfläche der Probe mit einer Sonde ab. Sie erzeugen ein dreidimensionales Abbild des Netzwerkes von Atomen und Molekülen. Die Sonde ist meistens eine äußerst feine Metallspitze, die im Abstand von nur wenigen Atomdurchmessern über die Probe gefahren wird. Nach einer 1996 publizierten Technik werden auch so genannte Graphit-Nanoröhren als Sonden eingesetzt – diese bestehen aus einem oder nur wenigen Graphitmolekülen. Je feiner die abtastende („abklopfende”) Sonde, desto feinere Konturen werden nach der datentechnischen Verarbeitung sichtbar.

Eine wichtige Ausführung dieser Rastermikroskope ist das Rastertunnelmikroskop. Es wurde bereits 1981 erfunden und basiert auf einer quantenphysikalischen Erscheinung, die als Tunneleffekt bezeichnet wird. Kurz angemerkt: Der Tunneleffekt beschreibt ein Teilchen in einem Energiebereich (hier Elektron), in dem es sich nach den Gesetzen der klassischen Physik nicht aufhalten darf – es durchdringt oder „durchtunnelt” diesen Bereich. Während die Sonde über die Probenoberfläche fährt, wird eine niedrige Spannung an Probe und Sonde angelegt. Da sich die Sonde sehr nahe an der Oberfläche der Probe befindet (nur wenige millionstel Millimeter), treten die Elektronen an der Lücke über (durch den Tunneleffekt) und erzeugen einen Strom. Das Rastertunnelmikroskop nutzt diesen Tunneleffekt zur Erzeugung dreidimensionaler Abbilder von Stoffen mit elektrischer Leitfähigkeit (siehe Elektrizität). Die Stärke des erzeugten Stromes hängt vom Abstand zwischen Probe und Sonde ab. Nähert sich die Sonde der Oberfläche, wird der Strom stärker, entfernt sie sich, nimmt der Tunnelstrom ab. Der Abtastmechanismus des Mikroskops führt die Sonde über die Oberfläche der Probe und passt dabei den Abstand so an, dass die Stärke des Tunnelstromes immer gleich bleibt. Durch Aufzeichnen dieser kleinsten Anpassungsbewegungen erhält man ein Abbild der Oberflächenkonturen. Nach Abschluss der vielen Abtastbewegungen von einer Seite der Probe zur anderen errechnet dann ein hochleistungsfähiger Computer das genaue dreidimensionale Abbild der Oberfläche.

Das Rasterkraftmikroskop arbeitet ebenfalls mit der Abtastung durch eine Sonde. Allerdings spielt der Tunneleffekt hier keine Rolle, daher können auch nicht leitende Proben untersucht werden. Die Elektronen der Metallsonde werden von den Elektronenwolken der Atome innerhalb der Probe abgestoßen. Das Mikroskop passt den Abstand der Sonde zur Probenoberfläche ständig an. Dadurch ist die auf die Sonde wirkende Abstoßungskraft immer gleich groß. Die Bewegungen der Sonde werden mit einem Fühler aufgezeichnet und mit einem Computer zu einem dreidimensionalen Abbild der Probenoberfläche verarbeitet.