Rastersondenmikroskopie

Bei der Rastersondenmikroskopie (engl. Scanning Probe Microscopy, SPM) wird die zu untersuchende Probenoberfläche punktweise in einem Rasterprozess mit einer nanoskaligen Sonde abgetastet. Diese steht mit der Probe in Wechselwirkung. Durch Einsatz verschiedener Sonden sind die unterschiedlichsten Probeneigenschaften messbar, z.B. Topografie, Reibungskoeffizienten, magnetische Eigenschaften, Härte, elektronische Eigenschaften etc.

Nach: Y. Kuk und P.J. Silverman: Scanning tunneling microscope instrumentation, Rev.Sci.Instrum. 60,2 (1989), 165-180.Angefangen von Mikrostrukturen bis hin zur Abbildung einzelner Moleküle und Atome werden Bereiche sichtbar, die bis zur Entwicklung der Raster-Tunnel-Mikroskopie (engl. Scanning Tunneling Microscopy, STM) in den 1980er Jahren nicht oder nur schwer zugänglich waren (Abb. 1).

Vorteile

Die Vorteile der Rastersondenmikroskopie gegenüber z.B. der Elektronenmikroskopie liegen nicht nur im hohen Auflösungsvermögen, sondern auch in der Tatsache begründet, dass dieses mit vergleichsweise kleinen Geräten erreicht wird, die (in der Regel) weder an ein Vakuum noch an vergrößernde oder fokussierende Bauteile gebunden sind. Die Möglichkeit, die Rastersondenmikroskope sowohl an Luft als auch unter Flüssigkeiten einzusetzen, ergibt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.

Rasterkraftmikroskop

Prinzip

Quelle: WikipediaAls Sonde wird beim Rasterkraftmikroskop (engl. Atomic Force Microscope, AFM) eine feine Spitze (Abb. 2) über die Probe geführt. Diese ist an einer als Hebelarm dienenden Feder (Träger, engl. Cantilever) montiert. Bei Annäherung der Spitze an die Probenoberfläche kommt es durch Kraft-Wechselwirkungen zu einer Durchbiegung des Cantilevers. Ein auf den Cantilever gerichteter Laserstrahl wird auf eine 4-Quadranten-Fotodiode reflektiert und somit seine Auslenkung und Torsion detektiert. Das elektrische Signal wird zur Bildentstehung genutzt (Abb. 3).

Die Untersuchung ist nicht auf leitfähige Oberflächen beschränkt, d.h. es können auch isolierende oder organische Materialien dargestellt werden.

Strahlengang im AFMAbbildungsmodi

Die Art der Bildentstehung kann man in Abhängigkeit der zwischen Spitze und Probe wirkenden Kräft in "contact" und "non-contact" unterteilen:

  • Non-Contact-Modus
    Zwischen Spitze und Probe wirken Anziehungskräfte im Wesentlichen auf Grund der van-der-Waals-Anziehung und bei verunreinigten Proben zusätzlich durch die Kapillarkräfte. In diesem Modus wird der Cantilever in einem bestimmten Abstand zur Probe in Schwingung versetzt (Resonanzfrequenz), und es wird die Dämpfung der Schwingung gemessen. Diese Arbeitsweise wird vor allem bei weichen Proben angewendet.
  • Contact-Modus
    Bei weiterer Annäherung an die Probe wirken repulsive Kräfte, welche in diesem Modus zur Bildentstehung genutzt werden.

Gerätebeschreibung

TMX-2010Am Institut stehen zwei Geräte der Firma TopoMetrix (jetzt Bruker AXS) zur Verfügung (TMX 1000 und TMX 2010, Abb. 4). Das TMX 2010 ist sowohl als Tunnel- als auch als Raster-Kraft-Mikroskop einsetzbar.
Ortsaufgelöste IV-Charakterisierung ist möglich, ebenso Messung in unterschiedlichen Medien.
Die Probengröße ist beschränkt auf einen Durchmesser von etwa 10 mm und eine Höhe von max. 5 mm. Die Oberflächenrauigkeit der Proben darf einen bestimmten Wert (in Abhängigkeit des verwendeten Scanners) nicht überschreiten. Bereiche von etwa 1 µm bis 70 µm Kantenlänge können untersucht werden.
Die Auswertesoftware bietet verschiedene Hilfsmittel zur Analyse der gemessenen Werte.

Literatur

  1. G. Binnig, C.F. Quate u. Ch. Gerber: Atomic Force Microscope, Phys.Rev.Lett. 56,9 (1986), 930-933.
  2. R. Wiesendanger: Scanning probe microscopy and spectroscopy: Methods and applications, Cambridge (u.a.): Cambridge Univ. Press, 1998.
  3. Tien T. Tsong: Fifty Years of Seeing Atoms, Phys.Today 59,3 (2006), 31-37.
  4. J. Loos: The Art of SPM: Scanning Probe Microscopy in Materials Science, Adv.Mater. 17,15 (2005), 182-183.
  5. P. Eaton u. P. West: Atomic Force Microscopy, Oxford: Oxford University Press, 2018.