Rastertunnelmikroskopie (STM)

Diese war die erste Rastersondenmethode und wurde im Jahre 1981 von Forschern bei IBM entwickelt. Sie beruht auf dem Prinzip des quantenmechanischen Tunnelns. Eine im Idealfall atomar feine Spitze wird extrem nah an eine elektrisch leitende Oberfläche herangeführt. Zwischen der Spitze und der Probe wird eine Spannung von bis zu einigen Volt angelegt. Ohne dass ein mechanischer Kontakt besteht, fließt ein Strom zwischen der Spitze und der Oberfläche. Dieser sogenannte Tunnelstrom hängt exponentiell vom Abstand ab und liefert die Topographieinformation. Elektronen können die elektrisch isolierende Barriere zwischen Spitze und Probe durchtunneln (Tunneleffekt). Elektronen können nicht nur als Teilchen, sondern auch als Welle aufgefasst werden, wobei für die Welle auch eine endliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit hinter der Barriere besteht, wenn diese "dünn" genug ist. Dünn bedeutet in diesem Fall, dass der Abstand hinreichen klein ist. Der Tunnelstrom kann dabei direkt in Farbabstufungen codiert als Bildsignal verwendet werden, oder als Regelsignal dienen, wobei ein konstanter Abstand zwischen Spitze und Probe eingehalten wird. In diesem Fall liefert die Stärke der elektronische Nachregelung auf einen konstanten Tunnelstrom (=konstanter Abstand) die Bildinformation. Mit einer guten Spitze kann ein atomares bzw. molekulares Auflösungsvermögen erzielt werden. Mit dem STM konnte erstmals die atomare Struktur vieler Oberflächen beobachtet werden. Für die Erfindung des STMs wurde 1986 der Nobelpreis in Physik an Gerd Binnig und Heinrich Rohrer verliehen.