Das Rastertunnelmikroskop oder Rastertunnelektronenmikroskop (abgekürzt RTM, oder STM von englisch scanning tunnelling microscope) ist ein Mikroskop, das in der Oberflächenphysik eingesetzt wird, und ein Objekt durch "Abtasten" abbildet.

Bei diesem indirekten Abbildungsverfahren wird eine elektrisch leitende Spitze systematisch (in einem Raster) über das Untersuchungsobjekt gefahren. Sowohl Nadel als auch Objekt sind von Elektronenwolken umgeben. Der Abstand zwischen dem Objekt und der Spitze wird nun so gering gehalten, dass die Elektronen zwischen der Spitze und der Nadel ausgetauscht werden (Quantenmechanischer Tunneleffekt). Dies geschieht üblicherweise bei einer Entfernung von unter 1 nm.

Ein STM arbeitet im "Nahfeld Modus", d.h. der Abstand der Spitze von der Probe bzw. die Auflösung des Mikroskops sind geringer als die Wellenlänge der Tunnelelektronen (vgl. Materiewellen und de Broglie-Gleichung).

Wird nun eine elektrische Spannung, in der Fachwelt auch Bias genannt, zwischen dem Untersuchungsobjekt und der Spitze angelegt, so kann ein Strom, der so genannte Tunnelstrom fließen. Die Stärke dieses Stroms hängt sehr stark (exponentiell) vom Abstand der Nadel zum Objekt ab. Für jeden Rasterpunkt lässt sich so der Abstand der Nadel zum Objekt rekonstruieren, wodurch ein dreidimensionales Bild des Objektes hergestellt werden kann. Dieses Verfahren wird als constant height method (CHM) bezeichnet, da die absolute Höhe der Spitze nicht verändert wird.

Eine andere Methode der Abbildung ist es, die Höhe der Spitze fortlaufend so zu verändern, dass der Strom konstant bleibt (constant current method, CCM oder constant gap width method, CGM). Ist der Strom konstant, so ist auch der Abstand konstant. Somit lässt nun über die Position der Spitze das dreidimensionales Bild der Oberfläche rekonstruieren. Die Auflösung ist bei diesem Verfahren so hoch, dass die atomare Struktur der Oberfläche sichtbar wird.

Beiden Methoden ist gemein, dass die Messspitze linienhaft über die Probe bewegt wird, bevor sie lateral versetzt eine benachbarte Linie erfasst. Hieraus ergibt sich ein Linienraster auf der Oberfläche. Neben dem Aufsetzen der Spitze hat CHM den Nachteil, dass sich die Spitze bei Vertiefungen soweit entfernen kann, dass der Strom nicht mehr messbar ist. Deshalb ist es sinnvoller, den Abstand beim Rastern so zu variieren, dass der Tunnelstrom konstant bleibt (CCM).

Eine weitere Anwendung des Rastertunnelmikroskops ist die gezielte Veränderung eines Objektes. Hierbei wird die Nadel an die gewünschte Stelle des Objektes gebracht. Durch Anlegen einer (im Vergleich zur Abbildungsrasterung) hohen Spannung kann man nun Atome aus der Oberfläche lösen und an die Spitze kleben. Wird die Spitze nun von der Probe weggezogen, so reißt das Atom aus der Oberfläche heraus. An der neuen Position kann es anschließend durch ein sehr kurzes Anlegen einer hohen Spannung wieder abgelegt werden.

Das erste erfolgreiche Experiment zum Nachweis eines abstandsabhängigen Tunnelstromes konnte am 18. März 1981 durchgeführt werden. Die beiden Physiker, Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, die das Experiment durchführten und das Rastertunnelmikroskop letztlich auch zum einsetzbaren Instrument machten, erhielten hierfür 1986 den Nobelpreis in Physik.

Anm. : Entgegen vieler Lehrbücher gibt es sehr wohl schon frühere Arbeiten auf diesem Gebiet, in denen die wesentlichen Aspekte eines RTM/STM demonstriert wurden - insbesondere das Auftreten eines Tunnelstromes. Dieses Gerät wurde von Russel Young, John Ward und Fredric Scire Anfang der 70er Jahre als Topografiner entwickelt. Leider haben sie das Gerät zur Abbildung bei hohen Spannungen betrieben ...

• Rastersondenmikroskopie

• Roland Wiesendanger: Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy - Methods and Applications. Cambridge University Press, Cambridge 1994, ISBN 0-521-42847-5 (Englisch)
• Russell Young, John Ward, and Fredric Scire: The Topografiner: An Instrument for Measuring Surface Microtopography', Rev. Sci. Instrum. 43, 999 (1972)

• RTM im Deutschen Museum
• Rastertunnelmikroskop im Eigenbau