Das Rastertunnelmikroskop (scanning tunneling microscope, STM) ermöglicht die Abbildung im Realraum und Untersuchung von Oberflächen leitender Materialien. Dabei wird der quantenmechanische Tunneleffekt zwischen zwei Elektroden ausgenutzt. Dieser erlaubt es den Elektronen Potentialbarrieren zu durchdringen, obwohl ihre Energie dazu klassisch nicht ausreicht. Hierbei stellt das Vakuum zwischen der STM-Spitze und der leitfähigen Probe die Potentialbarriere dar. Werden Spitze und Probe auf einige wenige Å angenähert und eine Spannung angelegt, können die Elektronen die Barriere durchtunneln wodurch ein detektierbarer Tunnelstrom der Größenordnung nA fließt. 

Der Tunnelstrom wird in einem elektronischen Regelkreis konstant gehalten, indem der Abstand nachgeregelt wird. Die Bildgebung erfolgt dann durch die Auslenkung der Spitze, welche der Oberflächenstruktur folgt. Dabei wird an der Position eines Atoms eine hohe Auslenkung als helle und bei einer Fehlstelle geringe Auslenkung als dunkle Farbe abgebildet. Durch ein Abrastern der Probenoberfläche mit der Tunnelspitze wird somit die Position von Atomen auf der Oberfläche dargestellt. Aus der Quantenmechanik ergibt sich für den Tunnelstrom IT eine starke Abhängigkeit vom Abstand d beider Elektroden: IT Qe-2d. Diese begründet die hohe vertikale Auflösung der Messmethode von wenigen pm: Eine Veränderung des Spitze-Probe-Abstands von 1 Å führt beispielsweise zu einer Änderung des Tunnelstroms um eine Größenordnung. Die laterale Auflösung liegt im sub-nm Bereich. 

Die Rastertunnelmikroskopie gehört zu den Standard Analysemethoden im Bereich der Strukturaufklärung der Oberflächenphysik.

Dieser Aufbau besteht aus einem Raumtemperatur-Rastertunnelmikroskop (room temperature scanning tunneling microscope, RT-STM) in einer Ultrahochvakuum-Kammer (ultra high vacuum, UHV). Eine Möglichkeit, die Proben während der Messung zu kühlen oder heizen, besteht nicht. 

Es können Metall-Substrate als auch Halbleiter-Proben präpariert und im STM untersucht werden. Die Proben werden von einem Manipulator gehalten, der mit einem heizbaren Halter zur Präparation ausgerüstet ist, um Temperaturen von max. 1500 °C zu erhalten.  Der Manipulator kann Metall-Substrate resistiv über ein Filament und Halbleiter über Direktstrom heizen. Ferner können Metalle oder Moleküle mittels eines Elektronenstrahlverdampfers oder einer Knudsenzelle aufgedampft werden.  Des Weiteren besitzt die Apparatur auch ein LEED, womit es möglich ist Periodizitäten und Symmetrien der Adsorbat Struktur im Impulsraum zu untersuchen.

Our first setup consists of a room temperature scanning tunneling microscope (RT-STM) in an ultra high vacuum (UHV) chamber. 

Metal substrates as well as semiconductor samples can be prepared and analyzed in the STM. The samples are held by a manipulator, which is equipped with a heatable holder for the preparation, in order to obtain temperatures of up to 1500 °C.  The manipulator is equipped with resistive heating for metal samples and with direct current heating for semiconductor samples. Furthermore, metals or molecules can be evaporated by means of an electron beam evaporator or a Knudsen cell.  The RT-STM chamber is equipped with a LEED system for investigating the periodicity and symmetry of the adsorbate structure in the k-space.

Ein weiterer UHV-Aufbau ist mit einem Rastertunnelmikroskop variabler Temperatur (variable temperature scanning tunneling microscope VT-STM) ausgerüstet. Das VT-STM bietet die Möglichkeit Proben in einem Temperaturintervall von 10-1400K zu untersuchen. Dabei wird die Messspitze auf Raumtemperatur gehalten und die Probe gekühlt oder geheizt, dadurch lassen sich temperaturabhängige Effekte untersuchen.

Diese Apparatur ist in zwei Einheiten aufgeteilt, die durch ein Schieberventil getrennt sind. Sie setzt sich zusammen aus dem Messabschnitt auf der rechten Seite mit dem VT-STM und der Präparationskammer auf der linken Seite. 

In der Präparationskammer steht ein Manipulator mit resistiver Probenheizung und Direktstromheizung zur Verfügung. Dort können die Proben bis 100K heruntergekühlt werden und mit einem LEED System analysiert werden. Die chemische Zusammensetzung der Proben kann über Augerelektronenspektroskopie untersucht werden.

Equipped with a variable temperature scanning tunneling microscope (VT-STM), the UHV-Setup allows to examine samples in a temperature interval of 10-1400K. For that, the measuring tip is kept at room temperature and the sample is cooled or heated, thus temperature dependent effects can be investigated.

The setup is divided into two chambers separated by a valve. Shown on the left side of the figure above, the analysis-chamber is located, containing the VT-STM. On the right side, the preparation chamber holds a manipulator equipped with resistive and direct current heating. Additionally, the samples can be cooled to 100K and analyzed with a LEED system. Chemical composition of the samples can be investigated by Auger electron spectroscopy.