Was ist ein Rastersondenmikroskop?
Ein Rastersondenmikroskop (SPM) ist ein Mikroskop, das eine nadelscharfe Rastersonde verwendet, um die Oberflächenunregelmäßigkeiten einer Probe im Nanometerbereich zu beobachten.
Es wird häufig im Hochvakuum eingesetzt, um die Probenoberfläche zu reinigen, kann aber auch an der Luft verwendet werden. In jüngerer Zeit wurden einige Mikroskope entwickelt, die in Flüssigkeiten eingesetzt werden können.
Es gibt verschiedene Arten von Rastersondenmikroskopen, darunter die Rastertunnelmikroskopie (STM) und die Rasterkraftmikroskopie (AFM); das STM ist in der Lage, einzelne Atome zu erfassen, und wurde 1986 von seinem Erfinder mit dem Nobelpreis für Physik für seinen bedeutenden Beitrag zur Weiterentwicklung der Wissenschaft und Technologie von Nanostrukturen ausgezeichnet.
Einsatzmöglichkeiten von Rastersondenmikroskopen
Rastersondenmikroskope werden zur Beobachtung der Oberflächenbeschaffenheit und zur Messung der Rauheit von Halbleitern, Glas, Flüssigkristallen und anderen Materialien eingesetzt, da sie sehr feine Oberflächen bis in den Nanometerbereich beobachten können.
Zu den spezifischen Beobachtungszielen gehören die atomare Anordnung von Siliziumeinkristallen und Phenylgruppen in organischen Verbindungen. Auch die DNA von biologischen Proben wie Mikroorganismen, Bakterien und biologischen Membranen lässt sich damit beobachten und manipulieren.
Rastersondenmikroskope sind eine neue Art von Mikroskopen, die in den 1980er Jahren entwickelt wurden, aber ihre Anwendungsmöglichkeiten erweitern sich rasch, mit bemerkenswerten Entwicklungen bei den Beobachtungstechniken auf atomarer Ebene, und es wurden auch Modelle entwickelt, die Reibung, Viskoelastizität und Oberflächenpotential messen können. Messungen in Flüssigkeiten werden auch in Bereichen wie der Elektrochemie und der Biochemie eingesetzt, wo sie die Messung von Bedingungen ermöglichen, die näher an den realen Bedingungen liegen.
Grundsätze der Rastersondenmikroskopie
In diesem Abschnitt werden die Prinzipien von AFM und STM, zwei der am häufigsten verwendeten Rastersondenmikroskope, beschrieben. Bilder und Positionsinformationen werden durch die Spitze einer feinen nadelartigen Sonde erfasst, die die Oberfläche der Probe abtastet. Die Sonde ist dünn und tastet auf atomarer Ebene ab, so dass sie für die Messung von Proben mit zu großen Unregelmäßigkeiten nicht geeignet ist.
1. Rastertunnelmikroskopie (STM)
Das STM nutzt die Tatsache, dass die Stärke des Tunnelstroms, der von der Spitze einer Metallsonde zur Probe fließt, empfindlich von der Dicke des dazwischen liegenden Isolators, dem Vakuum, abhängt. Sie ist in der Lage, die lokale Höhe der Probenoberfläche mit einer hohen Auflösung (der kürzeste Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten bei der Unterscheidung) präzise zu messen, so dass die Atome auf der Oberfläche des Materials einzeln aufgelöst werden können. Die Abtastbewegung der Sonde über die Oberfläche der Probe ermöglicht die Beobachtung von atomar ungleichmäßigen Mustern.
Die Sonde besteht aus Wolfram oder Platin und hat eine spitze Spitze. Wenn die Sonde und die Probe nahe genug zusammengebracht werden, dass sich ihre Elektronenwolken überlappen, und eine kleine Vorspannung (eine Spannung, die zur Festlegung des Gleichstrom-Arbeitspunkts für die Kleinsignalverstärkung eines Verstärkers verwendet wird) angelegt wird, fließt aufgrund des Tunneleffekts ein Tunnelstrom.
Beim STM wird der Tunnelstrom konstant gehalten, indem eine Metallsonde horizontal (X, Y) über die Oberfläche der Probe bewegt wird und der Abstand zwischen der Sonde und der Probe (Z) rückgekoppelt wird. Die vertikale Bewegung erfolgt in der Regel mit piezoelektrischen Elementen, die den Abstand mit einer Präzision steuern können, die kleiner als die Größe eines einzelnen Atoms ist, um Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen zu erkennen. STMs haben daher eine atomare Auflösung in drei Dimensionen. Piezoelektrische Elemente sind passive Geräte, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, ein Phänomen, bei dem eine Spannung erzeugt wird, wenn Druck ausgeübt wird.
2. Rasterkraftmikroskopie (AFM)
AFM misst und scannt die Unterschiede der mikroskopischen interatomaren Kräfte (schwache Kohäsionskräfte zwischen Atomen, die nicht chemisch gebunden sind) zwischen der Sonde und der Probenoberfläche, um die Oberfläche zu beobachten. Für die Messung von Reibungskräften, Viskoelastizität, Dielektrizitätskonstante und Oberflächenpotenzial wurde eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt, die die AFM-Technologie nutzen.
Eine am Ende eines Auslegers (Cantilever) befestigte Sonde wird durch eine geringe Kraft in Kontakt mit der Oberfläche der Probe gebracht. Der Abstand (Z) zwischen der Sonde und der Probe wird rückgekoppelt, um sicherzustellen, dass die auf den Cantilever wirkende Kraft (Auslenkung) konstant ist, während er horizontal (X, Y) gescannt wird, um ein Bild der Oberflächentopografie zu erzeugen.
Weitere Informationen zu Rastersondenmikroskopen
Arten von Sonden
AFM und SPM, die typische Beispiele für Rastersondenmikroskope sind, verwenden beide Sonden, allerdings unterschiedlicher Art. Darüber hinaus gibt es viele verschiedene AFM-Typen, allein in Bezug auf Material, Länge usw., und es ist wichtig, den richtigen Typ für das zu messende Objekt auszuwählen.
Neben dem im Prinzip beschriebenen Kontaktmodus verfügen AFMs auch über einen Klopfmodus, der bei der Messung empfindlicher organischer Proben zum Einsatz kommt und eine spezielle Sonde verwendet. Die Sonden sind Verbrauchsmaterialien und müssen vom Benutzer ausgetauscht werden.