Rasterkraftmikroskop

Das Rasterkraftmikroskop (engl. Atomic Force Microscope; Abkürzungen RKM, AFM) ist ein 1986 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickeltes Mikroskop zur mechanischen Abtastung von Oberflächen auf der Nanometerskala. Dabei wird eine an einer Blattfeder befestigte Nadel - dem sogenannten Cantilever - zeilenweise über die Oberfläche geführt. Durch die Struktur der Oberfläche wird dabei die Blattfeder verbogen. Die Auslenkung kann mit kapazitiven oder typischerweise optischen Sensoren gemessen werden. Der Krümmungsradius der Spitzen beträgt dabei typischerweise 10 - 20 nm, was je nach Rauhigkeit der Probenoberfläche laterale Auflösungen von 0,1 - 10 nm erlaubt. Zur exakten Bewegung der Nadel über die Probe dienen Piezostellelemente, mit deren Hilfe Scannbereiche von bis zu 100 x 100 µm untersucht werden können. Die Scanngeschwindigkeit liegen typischerweise um 1 Hz, was bedeutet, dass pro Sekunde eine Zeile hin und wieder zurück gescannt wird. Bei normalen Bildauflösungen von 250 x 250 bis 500 x 500 Bildpunkten ergibt sich somit eine Messdauer von ca. 10 Minuten pro Bild.

Das RKM kann in verschiedenen Betriebsmoden betrieben werden:

• Kontakt Modus:
  Die Abtastnadel ist in direktem Kontakt mit der Probenoberfläche. Da das Pauli-Prinzip ein Überlappen der Atomorbitale in der Spitze und der Probenoberfläche verbietet, entstehen starke abstossende Kräfte.
• Nicht Kontakt Modus:
  Die Blattfeder, an der die Abtastnadel befestigt ist, wird zu Schwingungen angeregt und "schwebt" über der Probenoberfläche. Zwischen Nadel und Probe wirken nur anziehende Van-der-Waals-Kräfte.

Darüber hinaus können mit dem AFM neben der reinen Oberflächentopografie einer Probe auch weitere physikalische Eigenschaften untersucht werden:

• MSM (magnetic scanning microscopy) : Sie dient zur Untersuchung der lokalen Magnetstärke in der Probe und wird z.B. bei der Entwicklung von Computerfestplatten eingesetzt. Die verwendete Abtastnadel ist dabei zusätzlich mit einem ferromagnetischen Material beschichtet. Die Messung erfolgt dann für jede Bildzeile in zwei Durchläufen: Im ersten Durchlauf wird mit einem der oben beschriebenen Messmodi zunächst das Höhenprofil der Probe ermittelt. Danach wird im zweiten Durchlauf dieses Oberflächenprofil der Probe noch einmal abgefahren, und zwar so, dass die Messnadel einen konstanten Abstand zur Oberfläche aufweist (typisch unter 100 nm ). Die gesammelten Informationen kommen nun nicht mehr durch eine mechanische Auslenkung der Messnadelspitze zustande, sondern durch die je nach lokaler Feldstärke unterschiedlich stark wirkenden magnetischen Anziehungskräfte.

Weblinks

• http://www.ntmdt.ru/SPM-Techniques/ (Englischsprachige Seite auf der mit Animationen unterschiedliche AFM-Messarten veranschaulicht werden.)