Mit Hilfe der Rastertunnelspektroskopie (STS von engl. scanning tunneling spectroscopy) können Oberflächen elementspezifisch hochauflösend dargestellt werden, da im Tunnelstrom eine Information über die Zustandsdichte der Probenoberfläche enthalten ist.
Schematische Darstellung des Tunnelprozesses.
Der Großteil der Elektronen tunnelt bei positiver Probenspannung an der Fermiekante der Spitze durch den Potentialberg (siehe Abb.). Können diese Elektronen bei der passenden Spannung in einen unbesetzten Oberflächenzustand der Probe tunneln, so erhöht sich der Tunnelstrom sprunghaft. Bei der Tunnelstromspektroskopie untersucht man die Abhängigkeit des dI/dU-Signals von der angelegten Probenspannung. Das dI/dU-Signal ist dabei proportional zur Zustandsdichte von Spitze und Probe und es ergibt sich ein material- bzw. strukturabhängiges Spektrum.
Für die Messung von Tunnelstromspektren wird die Spitze an der zu untersuchende Stelle positioniert und die Regelschleife deaktiviert. Das bedeutet, dass der Spitze-Probe-Abstand während der Messung konstant ist. Der Abstand für die Messung der Spektren wird durch die Wahl der Stabilisierungsparameter (Gap-Spannung und Tunnelstrom-Setpoint) vor Beginn der Messung festgelegt. Bei der Messung eines Spektrums wird die Spannung innerhalb eines vorher definierten Intervalls in diskreten Schritten variiert und der Strom als Funktion der Spannung I(U) gemessen. Wie in Abbildung unten gezeigt, erhält man durch ein nachträgliches Differenzieren der gemessenen I(U)-Kurve ein differentielles dI/dU(U)-Tunnelleitfähigkeitsspektrum.
(oberes Diagramm)Tunnelleitfähigkeit in Abhängigkeit von der angelegten Spannung.
(unteres Diagramm) differentielle Tunnelleitfähigkeit.
Um ein Spektroskopiebild der Oberfläche zu erhalten, zeichnet man pixelweise das dI/dU-Signal als Helligkeitsinformation in einem Bild auf. Wählt man die Probenspannung nun so, dass man für z.B. Atomsorte B (s.u.) auf einem Peak im Tunnelspektrum liegt, so erscheinen Bereiche dieser Atomsorte im Spektroskopiebild heller als die der Atomsorte A.
