Atomic Force Microscopy
Atomic Force Microscopy
Die Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) ist eine Rastersondenmethode zur Abbildung der Oberflächen von Festkörpern im Realraum.
Messprinzip
Mit einer feinen Spitze, die sich auf einer mikroskopisch kleinen Blattfeder (engl. Cantilever) befindet, wird in geringem Abstand die Probe abgerastert. Der Cantilever verbiegt sich dabei aufgrund der Wechselwirkungskräfte (Größenordnung: nN) zwischen Spitze und Probe. Die im Idealfall mono-atomare Spitze wird mit Hilfe von piezokeramischen Stellgliedern zeilenweise über die Probe bewegt. Im ´Contact-Mode´ wird der Cantilever mit einer vorher gewählten Kraft über die Probe geführt. Im ´Non-Contact-Mode´ versetzt man den Cantilever in Schwingung und mißt die Frequenzverschiebung bei Annäherung an die Probe. Dabei kann über einen Regelkreis die Wechselwirkungsgröße konstant gehalten werden. Die Stellgröße des Regelkreises, dargestellt in Abhängigkeit der x- und y-Position der Sonde, gibt ein Konturbild konstanter Wechselwirkungsgröße wieder. Für homogene Proben gibt dies in guter Nährung die tatsächliche Topographie wieder. Um das schnelle Verschmutzen der Oberfläche zu verhindern, werden die meisten Messungen im Vakuum durchgeführt.
Der Regelkreis
Um den Abstand des Cantilevers zur Probenoberfläche konstant zu halten, wird die Normalkraft FN durch einen elektronischen Regelkreis konstant gehalten. Der Regelkreis misst die momentane Kraft FN (Ist-Wert) und vergleicht sie mit dem vorher eingestellten Wert (Soll-Wert). Weichen diese voneinander ab, versucht der Regler über seinen Ausgang (Stellwert) die Differenz zu eliminieren. Die Änderungsvorgaben werden über die Piezoelemente, die den Cantilever in die drei Raumrichtungen bewegen können, übertragen. Die Reglereinstellungen hängen dabei vom gesamten System ab und lassen sich deshalb nicht beliebig hoch einstellen. Außerdem stellt der Regelkreis an sich schon ein schwingungsfähiges System mit einer Grenzfrequenz dar, oberhalb derer es zu Eigenschwingungen kommt. Diese Eigenschwingungen können Cantilever und Probe beschädigen. Die Rastergeschwindigkeit kann die Qualität des AFM-Bildes sehr stark beeinflussen. Eine zu hohe Geschwindigkeit verschlechtert meistens das Bild. Man muss auch bedenken, dass die Regelgeschwindigkeit eng mit der Rastergeschwindigkeit gekoppelt ist.
Der Cantilever
Die verwendeten Cantilever haben gemäß elektronenmikroskopischer Aufnahmen Krümmungsradien von einigen 10 nm an der Spitze. Da am AFM aber atomare Auflösung erzielt werden kann, lässt sich dies nur durch das Vorhandensein von sogenannten Minispitzen erklären. Das bedeutet, dass fast die gesamte Kraftwirkung nur über die zur Probe nächstliegende Minispitze hervorgerufen wird. Die Anordnung dieser Minispitzen auf dem Cantilever ist aber keineswegs stabil, sondern kann sich im Laufe der Messungen ändern. Dies kann sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf die Auflösung und die generelle Qualität der Bilder haben. Die Cantilever werden meist aus Silizium oder dem härteren Siliziumnitrid hergestellt.
Für weiterführende Informationen siehe hier.