STM
Contact Mode AFM
Tapping Mode AFM
Non Contact Mode AFM
Die Technik
Wieso, weshalb, warum, wer nicht fragt bleibt dumm...
Das Raster-Tunnel-Mikroskop (STM)
Das STM arbeitet mit einer Spitze, die über die zu
untersuchende Probe geführt wird. Hierbei entsteht zwischen der Spitze und der
Oberfläche ein Tunnelstrom, dessen Stärke gemessen wird. Da diese Stärke
exponentiell vom Abstand Spitze-Oberfläche abhängt, kann somit eine Bestimmung
der Elektronenkonfiguration der Probe durchgeführt werden. Die Gleichung, über
die der Abstand und der Strom verknüpft ist, lautet I ~ Ve -cd mit
I= Tunnelstrom
V= Spannung zwischen Spitze und Probe
c= Konstant
d= Spitze-Probe Abstand
Scannt man nun die Probe, so ändert sich der Abstand der Spitze zur Oberfläche
in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur. Dieses bewirkt ja eine Änderung
des Tunnelstromes. Über eine Feedback-Schleife wird dieser nun konstant
gehalten, indem man den Cantilever vertikal soweit bewegt, dass sich wieder der
konstante Wert des Tunnelstromes einstellt.
Ein Computer speichert die jeweiligen Stellen (x,y) und die dazugehörige
vertikale Bewegung (z) und erstellt daraus eine topographische Darstellung der
Oberfläche.
Diese Technik ist normalerweise auf leitende und halbleitende Materialien beschränkt.
Ein Contact mode AFM arbeitet mit einer Spitze, die auf
einem Cantilever (einem Träger) befestigt ist, welche über die zu scannende
Probe gefahren wird. Dabei berührt die Spitze die Probe, sodass sie abhängig
von der Oberflächenbeschaffenheit ausgelenkt wird. Diese Auslenkung wird von
einer positionssensitive Photodiode registriert. Dazu benutzt man einen Laser,
der von oben auf den Cantilever gerichtet wird und somit bei Auslenkung der
Spitze auf einen anderen Punkt der Photodiode reflektiert wird. Im Gegensatz zum
STM wird hier diese Ablenkung des Trägers konstant gehalten, dass heißt, die
Spitze wird an jeder Stelle (x,y) soweit vertikal bewegt, dass ein fester Wert
der Ablenkung erreicht wird. Somit ist auch die Kraft zwischen der Spitze und
der Probe konstant, wobei die Kraft über das Hooke´sche Gesetz berechnet
werden kann: F = -k x
F= Kraft
k= Federkonstante
x= Träger-Ablenkung
Dabei variiert die Federkonstante von 0,01 bis 0,1 N/m, sodass sich eine Kraft
im Bereich von nN bis μN ergibt.
Auch hier werden die jeweiligen Stellen (x,y) mit der dazugehörigen vertikalen
Verschiebung (z) in einem Computer gespeichert, sodass aus diesen Daten ein
topographisches Bild der Probenoberfläche erzeugt werden kann.
Das TappingMode™ AFM benutz eine in Schwingungen versetzte Spitze, die auf einem Cantilever (Träger) befestigt ist. Diese Spitze wird über die zu untersuchende Oberfläche geführt. Die Frequenz der Anregung der Spitze liegt in der Nähe der Resonanzfrequenz, wobei es egal ist, ob die Anregungsfrequenz über- oder unterhalb der Resonanzfrequenz liegt. Die Amplitude liegt in dem Bereich von 20 bis 100 nm. Die Spitze berührt bei ihrer Bewegung die Oberfläche am tiefsten Punkt ihrer Oszillation. Diese Schwingungsfrequenz wird über eine Feedback-Schleife konstant gehalten, indem der Laserstrahl, der von oben auf den Cantilever fällt, auf die Photodiode reflektiert wird und dort einen konstanten RMS erzeugt. Damit eine konstante Schwingungsfrequenz erreicht wird, muss der Cantilever in Abhängigkeit der jeweiliger Stelle (x,y) vertikal verschoben werden. Diese vertikale Auslenkung wird zusammen mit der Stelle (x,y) in einem Computer gespeichert, sodass eine topographische Darstellung der Oberfläche erzeugt werden kann. Aufgrund der zuvor erwähnten konstanten Schwingungsfrequenz wird auch eine konstante Kraft zwischen der Spitze und der Oberfläche.
Bei dem Non-contact Mode AFM wird der Cantilever mit einer
Frequenz angeregt, die leicht oberhalb der Resonanzfrequenz. Dabei erreichen die
Amplituden eine Größe von einigen Nanometer (<10 nm), sodass ein
Wechselstrom vom Cantilever abgegriffen werden kann. Bei dem eigentlichen
Scannen berührt die Spitze nicht die Oberfläche.
Aufgrund der van der Waals-Kräfte wird die Resonanzfrequenz verringert, wobei
diese Kräfte eine Reichweite von 1 bis 10 nm hat. Des weiteren wirken
weitere langreichweitige Kräfte auf die Spitze, die die Resonanzfrequenz stärker
verringert. Gleichzeitig verringert sich die Amplitude der Schwingung.
Über eine Feedback-Schleife wird entweder eine konstante Frequenz oder eine
konstante Amplitude der Oszilation bewirkt, indem der Cantilever mit der Spitze
in Abhängigkeit der Position (x,y) vertikal bewegt wird. Dabei werden die die
Daten der Stelle (x,y) und der vertikalen Auslenkung (z) von einem Computer
aufgezeichnet, sodass eine topographische Darstellung der Oberfläche erzeugt
werden kann.
Die für diese Mikroskopie-Methoden so wichtigen atomar scharfen Spitzen sind so winzig, daß man sie mit dem bloßen Auge nicht sehen kann. Dementsprechend empfindlich sind diese Spitzen auch. Schon eine etwas zu feste Berührung mit einer Oberfläche zerstört die Spitze völlig.
Eine saubere Spitze (Aufnahme: REM)
eine zerstörte Spitze mit Verschmutzungen (Aufnahme: REM)
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Die ungeschminkte Wahrheit