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Rasterkraftmikroskop

Prinzip der Rasterkraftmikroskopie

Eine Messspitze (Tip), die an einer Blattfeder angebracht ist, wird als Messsonde mit einem Abstand von wenigen Angström zeilenweise über die Probenoberfläche geführt. Dabei kommt es abhängig von den wirkenden Kräften zwischen Probe und Messspitze zu einer Verbiegung des Cantilevers. Die Auslenkung des Cantilevers wird hochaufgelöst mittels optischer Sensoren detektiert. Hierzu wird die Reflektion eines Laserstrahls, der auf die Cantileverrückseite zentriert ist, von einem Photodetektor aufgefangen (siehe Abbildung). Zur Messung von Topographien wird die Probe mittels eines piezoelektrischen Tisches unter der in x-y-Richtung feststehenden Messspitze bewegt.

Betriebsmodi

Die bildgebenden Betriebsmodi können in Kontakt- (contact) und Nicht-Kontakt-Verfahren (non contact-Modus) unterteilt werden.Im contact-Modus können Messungen mit konstanter Kraft (constant-force) oder mit konstanter Höhe (constant-height) zwischen Tip und Probenoberfläche durchgeführt werden. Im constant-force-Modus wird die Andruckkraft des Cantilevers auf die Probe vom Regelungssystem über Piezoelemente konstant gehalten, so dass dieser der Topographie der Probe folgt. Im constant-height Modus wird hingegen die Höhe des Cantilevers nicht variiert und die Erfassung des Höhenprofils erfolgt über die Auslenkung des Cantilevers. Im contact-Modus kann neben dem Topographiesignal zusätzlich das Verkippungssignal des Cantilevers aufgenommen werden (LFM-Modus), welches eine Funktion der Reibung zwischen Tip und Probenoberfläche ist.Im non-contact-Modus wird der Cantilever zu Schwingungen angeregt, deren Frequenz etwas größer als die cantilevereigene Resonanzfrequenz ist. Beim Annähern der Messspitze an die Probenoberfläche kommt es durch die anziehenden Kräfte (vor allem van-der-Waals Kräfte) zur Dämpfung der Schwingungsamplitude sowie zu einer Verringerung der Schwingungsfrequenz. Die Amplitude des Systems wird über einen piezokontrollierten Regelkreis konstant gehalten. Im non-contact-Modus berührt die Spitze nicht die Probenoberfläche, so dass dieser Modus sehr schonend für die Oberfläche ist und sich damit besonders für die Charakterisierung weicher Proben eignet. Allerdings ist im Vergleich zum contact-Modus die Auflösung geringer, da anstelle der kurzreichweitigen, repulsiven Kräfte längerreichweitige, anziehende Wechselwirkungen ausgenutzt werden.Ein weiterer, jedoch nicht-bildgebender Messmodus ist die Kraft-Spektroskopie. Hierbei wird der Cantilever mittels des z-Piezoelements kraft- oder weggesteuert auf die Probenoberfläche gedrückt. Die auf den Cantilever wirkende Kraft wird als Funktion der Cantileverposition in z-Richtung aufgenommen. Die resultierenden Kraft-Weg-Kurven erlauben die Ermittlung von Adhäsionskräften und die mechanische Charakterisierung des Probenmaterials.

Messinstrument

Am iPAT steht das Rasterkraftmikroskop XE-100 der Firma Park Systems zur Verfügung. Das System arbeitet mit zwei entkoppelten Piezoelementen (xy-Piezo-scanner und z-Piezoscanner). Im Gegensatz zu den herkömmlichen Röhrenscannern werden durch diese Anordnung Effekte wie Hintergrundkrümmung und Nichtlinearitäten deutlich reduziert. Das Gerät besitzt eine Abdeckung, die das System vor Schall- und Lichteinfluss schützt. Für eine aktive Vibrationsdämpfung sorgt ein Antivibrationstisch. Für Messungen in Flüssigkeit steht eine spezielle Flüssigkeitszelle zur Verfügung, die das Einstellen definierter Umgebungs-bedingungen erlaubt.

Spezifikationen des XE-100