Untersuchung der Kopplung von atomaren Strömen und atomaren Kräften durch die Rastersondenmikroskopie

Die simultane Rastertunnel- (STM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) zeigt auf der Si(111)-7×7 Oberfläche eine Kontrastinversion im AFM Signal. Messungen bei konstanter Höhe ergeben, dass der Tunnelstrom I einen starken Einfluß auf das AFM Signal, die Frequenzverschiebung Δf, ausübt. Der Effekt des Tunnelstroms auf die Frequenzverschiebung beruht auf einer Verringerung der effektiven Spitze-Probe Spannung Vsp. Die Reduktion von Vsp resultiert in einer Verringerung der attraktiven, elektrostatischen Kraft. Die sogenannte Phantomkraft kann den atomaren Kontrast in AFM Bildern dominieren, sobald ein Tunnelstrom fließt. Das Verhalten von Δf gegenüber I wurde charakterisiert. Beide Signale hängen für die Si(111)-7×7 Oberfläche linear voneinander ab. Die Steigung dieser Geraden wurde als ein Maß für die Stärke der Phantomkraft interpretiert. Eine theoretische Beschreibung führt zu einer linearen Abhängigkeit der Frequenzverschiebung vom Tunnelstrom und einer linearen Abhängigkeit der Stärke der Phantomkraft von der Spannung Vsp sowie dem Probenwiderstand. Der Zusammenhang zwischen der Stärke der Phantomkraft und der Spannung Vsp als auch dem Probenwiderstand wurde experimentell bestätigt. Eine erweiterte Beschreibung führt zu der Annahme, dass die Phantomkraft durch einen hochlokalen Spannungsabfall auf der Probenoberfläche verursacht wird. Die vermessene Si(111)-7×7 Oberfläche stellt aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften einen Spezialfall unter den Oberflächen dar. Die Oberfläche hat einen metallischen Oberflächenzustand. Das steht im Widerspruch zu einem hochlokalen Spannungsabfall, da Elektronen eher entlang der Oberfläche propagieren würden. Wenn der metallische Oberflächenzustand eine Rolle spielt, würde dies zu einem konstanten elektrischen Potential an der Probenoberfläche führen und eine direkte Abhängigkeit zum makroskopischen Spitzenradius wäre detektierbar. Der makroskopische Spitzenradius und die Stärke derPhantomkraft zeigen keine gegenseitige Abhängigkeit. DiePhantomkraft ist daher ein hochlokaler Effekt. In einem weiteren Experiment konnte gezeigt werden, dass die Phantomkraft (wiezu erwarten war) auch auf Oberflächen ohne metallischen Oberflächenzustand, wie H:Si(100), vorkommt