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Rasterkraftmikroskop Der Laserstrahl zum Abtasten wird von Laserdiode (1) erzeugt fällt auf den Cantilever (2) und zu einem Photodetektor (3) reflektiert. (4) Kamera zur Grobannäherung; (5) Schallschutzbox auf einer 15 cm Marmorplatte
Das Rasterkraftmikroskop ( engl. Atomic Force Microscope ; Abkürzungen RKM AFM ) ist ein 1986 von Binnig Quate und Gerber entwickeltes Mikroskop zur mechanischen Abtastung von Oberflächen auf der Nanometerskala . Dabei wird eine an einer Blattfeder Nadel - dem so genannten Cantilever - zeilenweise über die Oberfläche geführt. Durch die Struktur der Oberfläche dabei die Blattfeder verbogen. Die Auslenkung kann kapazitiven oder typischerweise optischen Sensoren gemessen werden. Krümmungsradius der Spitzen beträgt dabei typischerweise 10 20 nm was je nach Rauhigkeit der Probenoberfläche Auflösungen von 0 1 - 10 nm erlaubt. Zur exakten Bewegung der Nadel die Probe dienen Piezostellelemente mit deren Hilfe von bis zu 100 x 100 µm untersucht werden können. Die Scanngeschwindigkeit liegen um 1 Hz was bedeutet dass pro Sekunde eine Zeile hin und wieder zurück wird. Bei normalen Bildauflösungen von 250 x bis 500 x 500 Bildpunkten ergibt sich eine Messdauer von ca. 10 Minuten pro Bild.
Das RKM kann in verschiedenen Betriebsmoden werden:
Kontakt Modus: Die Abtastnadel ist in direktem Kontakt mit Probenoberfläche. Da das Pauli-Prinzip ein Überlappen der Atomorbitale in der und der Probenoberfläche verbietet entstehen starke abstossende
Nicht Kontakt Modus: Die Blattfeder an der die Abtastnadel befestigt wird zu Schwingungen angeregt und "schwebt" über Probenoberfläche. Je nachdem in welchen Umgenungsbedingungen die abläuft treten unterschiedliche Kräfte auf. Im Vakuum wirken zwischen Nadel und Probe nur anziehende Van-der-Waals-Kräfte . Bei Messungen in Flüssigkeiten können daneben sehr komplexe andere Wechselwirkungen aufgrund der in Flüssigkeit gelösten Ionen auftreten ( Solvation-Forces Double Layer Forces ).
Darüber hinaus können mit dem AFM der reinen Oberflächentopografie einer Probe auch weitere Eigenschaften untersucht werden:
MFM (magnetic force microscopy) : Sie dient zur Untersuchung der lokalen Magnetstärke in der Probe und wird z.B. der Entwicklung von Computerfestplatten eingesetzt. Die verwendete Abtastnadel ist dabei mit einem ferromagnetischen Material beschichtet. Die Messung erfolgt dann jede Bildzeile in zwei Durchläufen: Im ersten wird mit einem der oben beschriebenen Messmodi das Höhenprofil der Probe ermittelt. Danach wird zweiten Durchlauf dieses Oberflächenprofil der Probe noch abgefahren und zwar so dass die Messnadel konstanten Abstand zur Oberfläche aufweist (typisch unter 100 nm ). Die gesammelten Informationen kommen nun mehr durch eine mechanische Auslenkung der Messnadelspitze zustande sondern durch die je nach Feldstärke unterschiedlich stark wirkenden magnetischen Anziehungskräfte.
Abb. 1: AFM Magnetfeldmessung an einer 2GByte
LFM oder FFM ( lateral bzw. friction force measurement ): Während des Abrasterns der Oberfläche wird das des Cantilevers aufgezeichnet. Abhängig von der Reibung Abtastnadel und Oberfläche verkippt der Cantilever unterschiedlich Dadurch können Gebiete unterschiedlicher Reibung unterschieden werden somit Aussagen über die Materialzusammensetzung in der getroffen werden.
Abb. 2: Prinzip der Reibungskraftmessung ( LFM )
Kraft-Abstands Kurven: Hier wird das AFM nicht zum eines Bildes verwendet sondern um die Probe einer Stelle zu untersuchen. Der Cantilever wird dabei einmal abgesenkt mit definierter aufgedrückt und wieder von der Probe entfernt. wird in Abhängigkeit vom Weg die auf Messnadel wirkende Kraft gemessen. Aus den entstandenen lassen sich dann zum Beispiel Rückschlüsse auf gewinnen oder auch über den Aufbau von Molekülen . Moleküle die ziharmonikaartig gefaltet sind lassen beispielsweise über solche Zugversuche schrittweise entfalten. Die Kraft-Abstands Kurve zeigt dann einen treppenförmigen Verlauf dem sich ablesen läßt dass einzelne Bindungen
Vibrationen: Diese kommen zum einen durch Gebäudeschwingungen oder Trittschall zustande. AFM Messplätze werden deshalb gerne 15 cm starken Marmorplatten aufgebaut die auf dämpfenden Druckluftfüßen stehen auch auf mit Piezoelementen aktiv gedämpften Tischen Zum anderen stellt akustischer Schall der die Luft direkt auf den Cantilever übertragen wird eine starke Störquelle dar. um so mehr je mehr die Resonanzfrequenz des Cantilevers nahe zum Frequenzbereich normaler Geräuche liegt. Aus diesem Grund ist es sinnvoll in besonderen Schallschutzboxen zu betreiben. Falls es Sicht der untersuchten Probe möglich ist verbessern die unter Vakuumbedingungen arbeiten hier ebenfalls nennenswert die Auflösung.
Thermischer Drift: Durch thermische Ausdehnungen zwischen Probe und Cantilever können im Verlauf eines Messintervalls Verschiebungen einigen Nanometern auftreten was sich bei Bildern mit Auflösung als Verzerrung sichtbar macht.
Interferenzerscheinungen: Bei stark reflektierenden Proben kann es vorkommen ein Teil des Laserstrahls von der Probenoberfläche wird und im Photodetektor mit dem Anteil vom Cantilever kommt interferiert . Dieses macht sich dann in senkrecht Scannrichtung verlaufenden Streifen bemerkbar die dem eigentlichen überlagert sind.
Bei professionellen AFMs ist gewöhnlich eine im Ansteuerprogramm der Hardware integriert. Die Datenformate sind dabei meist da neben reinen Bilddaten auch die Einstellungen jeweiligen Messung wie z.B. die Scanngeschwindigkeit mitgespeichert sollen. Darüber hinaus lassen sich die erstellten auch in bekannte Datenformate wie BMP - oder JPEG -Dateien konvertieren.
Besonders soll hier aber noch eine verfügbare Auswertesoftware namens WSxM erwähnt werden mit alle typischen Datenaufbereitungen vorgenommen werden können (siehe
