Über die Rastersondenmikroskopie
Das Gebiet der Rastersondenmikroskopie (SPM) begann in den frühen 1980er Jahren mit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops (STM) durch Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, die 1986 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden. Im selben Jahr gelang mit der Erfindung des Rasterkraftmikroskops (AFM) durch Gerd Binning, Calvin Quate und Christoph Gerber ein entscheidender Durchbruch, der seither die Charakterisierung und Messung im Nanobereich revolutioniert. Heute ist das AFM die am weitesten verbreitete Art von SPM, weshalb die Begriffe AFM und SPM oft synonym verwendet werden. Im Falle des AFM ist die Sonde ein Ausleger, im Allgemeinen mit einer Spitze an seinem freien Ende. Die Überfamilie der SPM-Sonden kann auch einfache Metalldrähte (wie bei STM) oder Glasfasern (wie bei der optischen Rasternahfeldmikroskopie/SNOM/NSOM) umfassen.
AFM umfasst eine Vielzahl von Methoden, bei denen die Sonde auf unterschiedliche Weise mit der Probe interagiert, um verschiedene Materialeigenschaften zu charakterisieren, z.z.B. mechanische Eigenschaften (z.B. Adhäsion, Steifigkeit, Reibung, Verlustleistung), elektrische Eigenschaften (z.B. Kapazität, elektrostatische Kräfte, Arbeitsfunktion, elektrischer Strom), magnetische Eigenschaften und optische spektroskopische Eigenschaften. Neben der Bildgebung kann die AFM-Sonde auch zur Manipulation, zum Schreiben oder sogar zum Ziehen an Substraten in Lithographie- und Molecular-Pulling-Experimenten verwendet werden.
Das Rasterkraftmikroskop ist aufgrund seiner Flexibilität neben der optischen und Elektronenmikroskopie zu einem gängigen Werkzeug für die Materialcharakterisierung geworden, das Auflösungen bis in den Nanometerbereich und darüber hinaus erreicht. Das AFM kann in Umgebungen vom Ultrahochvakuum bis hin zu Flüssigkeiten eingesetzt werden und deckt daher alle Disziplinen von der Physik und Chemie bis hin zur Biologie und Materialwissenschaft ab.
Das AFM-Prinzip basiert auf einer Cantilever-/Spitzeneinheit, die mit der Probe (Sonde) interagiert. Diese AFM-Spitze interagiert mit dem Substrat durch eine Rasterabtastbewegung. Die Auf-/Ab- und Seitwärtsbewegung der Spitze beim Scannen entlang der Oberfläche wird durch einen vom Cantilever reflektierten Laserstrahl überwacht. Dieser reflektierte Laserstrahl wird von einem positionsempfindlichen Fotodetektor verfolgt, der die vertikale und seitliche Auslenkung des Cantilevers erfasst. Die Auslenkungsempfindlichkeit dieser Detektoren muss dahingehend kalibriert werden, wie viele Nanometer der Bewegung einer am Detektor gemessenen Spannungseinheit entsprechen. Aus den Daten, die durch diese verschiedenen Methoden der Abtastung gewonnen werden, wird ein Bild erstellt.
Lesen Sie unseren ausführlichen Theorieteil zum Thema „Wie funktioniert das AFM?“