Für die Grundlagenforschung der Nanotechnologie sind präzise Mikroskope unabdingbar. Ohne diese Grundlagenforschung sind keine Produkte mit Nanotechnologie möglich, denn in dieser Phase der Produktentwicklung werden Strukturen auf ihre Tauglichkeit für ein Produkt untersucht. Dabei ist vor allem die Oberflächenstruktur von unterschiedlichen Exponaten interessant. Mithilfe eines Mikroskops wurde zum Beispiel auch der Lotus-Effekt anhand der Oberflächenstruktur begründet.
Ein einfaches Mikroskop mit Linsensystemen kann Nanometer große Strukturen nicht für das menschliche Auge sichtbar machen, da Licht eine zu große Wellenlänge besitzt. Deshalb entwickelten Ernst Ruska und Max Knoll Anfang des 20. Jahrhunderts das Elektronenmikroskop. Bei diesem können jedoch die tatsächlichen Materialeigenschaften von den Eigenschaften der Probe abweichen. Weiterhin kann das Exponat durch die Vorbereitung für die Mikroskopie oder das Verfahren der Mikroskopie selbst verfälscht werden. Dieses Mikroskop ist also ebenfalls nicht optimal für die Untersuchung der Eigenschaften von Nanostrukturen.
Um Theorien über Nanostrukturen zu überprüfen und Produkte mit Nanopartikeln zu entwickeln, musste also nach neuen, für diesen Bereich sinnvoll anwendbaren Mikroskopen geforscht werden. Eine Lösung für das Problem fand man mit der Entdeckung der Rastersondenmikroskope.
Ein Rastersondenmikroskop ist ein Mikroskop, welches mithilfe einer Sonde die Oberfläche rasterartig abtastet und als Modell auf einem Computer für den Menschen sichtbar macht. Rasterartig bedeutet, dass das zu untersuchende Exponat in Teile untergliedert wird und diese systematisch abgefahren werden.
Als 1981 der deutsche Physiker Gerd Binnig zusammen mit dem Schweizer Heinrich Rohrer die exponentielle Abhängigkeit des Tunneleffekts vom Abstand zweier Atome begründete, legten die beiden IBM-Forscher den Grundstein für eine bahnbrechende Erfindung. Sie entdeckten das Rastertunnelmikroskop und erhielten fünf Jahre später dafür den Physik-Nobelpreis.
Bei der Rastertunnelmikroskopie wird der Tunneleffekt genutzt, um die Oberflächenstruktur zu messen. Dieser besagt, dass zwei Atome, die sich im Abstand von weniger als einem Nanometer befinden, Elektronen austauschen können. Nun wird eine Metallspitze, an deren Spitze sich ein einziges Atom befindet, rasterartig über ein Exponat, das es zu untersuchen gilt, geführt. Dabei wird sowohl das Exponat als auch die Spitze mit einer Stromquelle verbunden und der fließende Strom wird gemessen. Die Spitze darf, damit ein Tunnelstrom auftritt, nicht mehr als 1 nm vom Exponat entfernt sein, darf es aber auch nicht berühren. Der Strom fließt aufgrund des Tunneleffekts von der Spitze zum Stoff und nimmt exponentiell zum geringer werdenden Abstand zu.
Es gibt prinzipiell zwei Verfahren, die Spitze über das Exponat zu bewegen:
Zum einen mit konstanter Stromstärke, also mit konstantem Abstand zum sich darunter befindenden Atom, was das Verfahren sehr präzise macht, weswegen es auch sehr lange dauert.
Zum anderen mit konstanter Höhe über der durchschnittlichen Oberflächenhöhe, wobei eine größere Geschwindigkeit erreicht werden kann, was aber eine sehr ebene Oberfläche voraussetzt.
Die Einschränkungen, die bei dieser Art der Mikroskopie gemacht werden müssen, sind:
Es muss sich bei dem Exponat um einen leitenden Stoff handeln, damit er mit Strom gespeist werden kann
Bei dem Ergebnis handelt es sich um eine elektronische Oberflächenstruktur, die häufig, aber nicht immer, der atomaren Oberflächenstruktur entspricht.
Aufgrund der hohen Auflösung ist das Rastertunnelmikroskop sehr erschütterungsempfindlich und kann deswegen nicht neben vielbefahrenen Straßen und nur in sehr fest fundamentierten Häusern aufgebaut werden.
Das Rastersondenverfahren: Mit dem Rastertunnelmikroskop kann man auch die Oberfläche eines Stoffes verändern, indem man für einen sehr kurzen Zeitraum sehr starken Strom anlegt und damit ein Atom an die Metallspitze anheftet und an einem anderen Ort mit einem sehr starken Stromschub wieder ablöst. Dies nennt man Rastersondenverfahren. Ende der achtziger Jahre schrieb Don Eigler von IBM den Namenszug des Unternehmens mit einzelnen Atomen. Er war damit der Erste, der Nanostrukturen Atom für Atom künstlich hergestellt hat.
