Was ist ein Rasterkraftmikroskop?
Das Rasterkraftmikroskop (AFM) ist ein Mikroskop, das die feine Oberflächenstruktur einer Probe sichtbar macht, indem es die Kraft, die zwischen einer als Cantilever bezeichneten Sonde und den Atomen der Probenoberfläche wirkt, erfasst und abtastet.
Rastertunnelmikroskope haben eine längere Geschichte in der Mikroskopie zur Visualisierung von Oberflächenmikrostrukturen, sind aber auf die Messung von leitenden Proben beschränkt, da die Messung durch die Erzeugung eines Tunnelstroms zwischen dem Cantilever und der Probe erfolgt. Die Rasterkraftmikroskope zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, ein breites Spektrum von Objekten zu messen, von leitenden Proben über Isolatoren bis hin zu biologischen Proben.
Anwendungen von Rasterkraftmikroskopen
Die Rasterkraftmikroskope werden vor allem in der Industrie zu Inspektionszwecken eingesetzt, da sie Oberflächenunregelmäßigkeiten im Nanobereich (1 nm = 10-9 m) bis hin zum Angström-Bereich (0,1 nm) aufdecken können.
Es wird beispielsweise zur Messung der Gleichmäßigkeit und Rauheit der Oberflächenbehandlung von Halbleitersubstraten und zur Prüfung der Korrosion und des Abbaus von Elektrodenbeschichtungen mit Metallen wie Gold und Kupfer eingesetzt. In der Forschung wird es auch zur minimalinvasiven Beobachtung von Reaktionen und strukturellen Veränderungen in Biomolekülen wie z. B. Proteinen eingesetzt.
Kontaktmodus
Ein Modus, bei dem die Probenoberfläche manipuliert wird, während eine Rückkopplung angewendet wird, um eine konstante Abstoßungskraft zwischen dem Cantilever und der Probe aufrechtzuerhalten; der gängigste Messmodus in Rasterkraftmikroskopen.
Berührungsloser Modus / dynamischer Modus
Der Cantilever wird in der Nähe seiner Resonanzfrequenz zum Schwingen gebracht. Die Amplitude ändert sich, wenn sich die Spitze des Cantilevers der Probe nähert. Dieser Modus nutzt dieses Phänomen aus, um die Amplitude konstant zu halten und die Verschiebung in Richtung der Probenhöhe zu erfassen.
Funktionsweise der Rasterkraftmikroskope
Die Rasterkraftmikroskope messen die Auslenkung eines Cantilevers durch die zwischen dem Cantilever und der Probenoberfläche wirkenden atomaren Kräfte. Die gebräuchlichste Methode zur Erfassung der Auslenkung ist die Verwendung einer Fotodiode, die die Auslenkung des Cantilevers erfasst.
Wenn der Cantilever durch die interatomaren Kräfte von der Probenoberfläche angezogen wird, ändert sich der Winkel des reflektierten Lichts, was erkannt wird und eine Rückkopplung erfolgt, um den Winkel des Cantilevers wieder zu korrigieren. Das Kontrollmuster zu diesem Zeitpunkt wird als die Form der Oberflächenunregelmäßigkeiten sichtbar gemacht. Diese Erfassungsmethode wird als optische Hebelmethode bezeichnet.
Bei der anderen Methode wird ein Piezoelement verwendet, um den Ausleger in Schwingungen zu versetzen und die Amplitude, Phase und Frequenz dieser Schwingungen zu überwachen. Die Messung erfolgt durch Abtasten des Cantilevers mit Rückkopplung, damit diese konstant bleiben.
Eine andere Methode ist die direkte Messung der aufgebrachten Kraft durch Messung der Biegung des Cantilevers. Diese Methode wird vor allem bei der Untersuchung biologischer Proben wie Zellen eingesetzt, wobei in diesem Fall jedoch nicht die Oberflächentopografie, sondern die Lokalisierung von Membranproteinen oder die mechanische Beschaffenheit von Zellen gemessen wird.
Durch Rasterkraftmikroskope nachweisbare Kräfte
Zu den Kräften, die mit Hilfe der Rasterkraftmikroskope nachgewiesen werden können, gehören Anziehungs-, Abstoßungs-, Adhäsions- und Bindungskräfte zwischen der Endspitze und der Oberfläche des Materials. Die Rasterkraftmikroskope werden auch im Bereich der Katalyse eingesetzt. Beispiele für Anwendungen sind unten aufgeführt:
- Atomare Beobachtung von einkristallinen Zeolithen und geschichteten Tonmineralen
- An den Spaltflächen von Glimmer, die atomar glatt sein können, lassen sich Palladiumpartikel bis zu einer Größe von wenigen Nanometern auf darauf abgeschiedenen Palladiumkatalysatoren beobachten
Die Rasterkraftmikroskope erfordern keine spezielle Vorbehandlung des Materials, um Messungen durchzuführen, und können in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden, auch in Luft und Flüssigkeiten. Diese Eigenschaft wird genutzt, um Adsorptionsphänomene und chemische Reaktionsprozesse in lokalisierten Oberflächenbereichen zu messen. Ein Beispiel für eine Messung ist die Messung von Adsorptionsprozessen weicher organischer Verbindungen. Durch Modifizierung der Spitze können selektiv auch andere Kräfte als die interatomaren Kräfte gemessen werden. So kann die Sonde beispielsweise mit einer organischen Monoschicht chemisch modifiziert werden, um als chemischer Sensor zu fungieren.
Kraftkurve der Rasterkraftmikroskope
Kraftkurven werden zur Messung von Wechselwirkungskräften verwendet. Die Kraftkurve wird gemessen, indem die Sonde durch Hin- und Herbewegen wiederholt mit dem zu messenden Material in Kontakt gebracht und von ihm weggezogen wird. Bei dieser Hin- und Herbewegung wird die Kraftkurve als Funktion der Kraft und des Abstands zwischen der Spitze und der Materialoberfläche gemessen.
Aufgrund der Instabilität des Auslegers folgt die Kraftkurve möglicherweise nicht der ursprünglichen Kraftkurve, wodurch die tatsächliche Kraftkurve verzerrt wird. Um dieses Problem zu vermeiden, muss ein geeigneter Ausleger für die Kraftausrichtung gewählt werden.
Bei Kraftkurvenmessungen in Luft werden sowohl van-der-Waals-Kräfte als auch auf Oberflächenspannung basierende Adhäsions- und Meniskuskräfte vom Kontakt bis zum Abriss gemessen. In einigen Fällen wurden Kraftkurvenmessungen zur Säure-Base-Charakterisierung von Festkörperoberflächen eingesetzt.
Unterschiede zwischen Rasterkraftmikroskopen und STM
STM hat eine hohe atomare Auflösung im Ultrahochvakuum, ist aber sehr empfindlich gegenüber nicht leitenden Materialien und gegenüber Oberflächenverunreinigungen des Materials an der Luft. Die Rasterkraftmikroskope erfassen die Kraft zwischen dem Material und der Sonde, so dass sie auch nichtleitende Materialien und Messungen an der Luft erfassen können.