Rasterkraftmikroskopie

Rasterkraft-
mikroskopie: Meßprinzip

Mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops (RKM) lassen sich neben einer Topographie auch mechanische Eigenschaften einer Probe wie Reibung, Adhäsion und Viskoelastizität sowie elektrostatische und magnetische Wechselwirkungen mit einer Auflösung im Nanometerbereich abbilden. Diese Technik wurde von Binnig et al. 1986.
Im Gegensatz zur klassischen Mikroskopie, in der die zu untersuchenden Proben elektromagnetischen Wellen oder Materiewellen ausgesetzt werden, nutzt das Rasterkraftmikroskop zur Abbildung Kräfte, die zwischen der Substratoberfläche und einer Meßsonde wirken. Diese Kräfte liegen im Bereich zwischen 10^-7N bei Adhäsionsmessungen an viskoelastischen Polymeren und 10^-12N bei atomarer Auflösung Van-der-Waals-Wechselwirkungen konnte 1988 erstmals atomare Auflösung an Makromolekülen nachweisen, und mittlerweile ist die Rasterkraftmikroskopie zu einer attraktiven Methode auch zur Untersuchung von Polymeren und Polymerblends geworden.

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Die Meßsonde, der sogenannte „Cantilever“ (von engl. cantilever, Ausleger, Balken), ist ein aus Silizium oder Siliziumnitrid bestehender Balken von etwa 100 - 400 µm Länge, an dessen freiem Ende sich eine pyramidenförmige Spitze befindet. Dieser Sensor wird durch Piezos zeilenförmig und dabei nanometergenau über die Oberfläche geführt. Diese Technik hatten Binnig und Rohrer bei dem bereits Anfang der 1980er Jahre entwickelten Rastertunnelmikroskop eingesetzt.

Spitze eines Cantilevers im Rasterelektronenmikroskop. Die Spitze selbst ist trigonal-pyramidal und hat eine Höhe von ca. 12 µm.

Wechselwirkungen zwischen Spitze und Probe üben auf den Cantilever Kräfte aus, die den Balken gemäß des Hookeschen Gesetztes aus seiner Ruhelage auslenken. Die zur Kraft proportionale Verbiegung des Cantilevers aus seiner Ruhelage heraus wird heute in der Regel nach dem "`Lichtzeigerprinzip"' detektiert.

Wird das RKM so betrieben, daß der Cantilever während des gesamten Rastervorgangs eine konstante Kraft auf die Probenoberfläche ausübt, spricht man vom „Constant Force Mode“.

Wird der Cantilever in lateraler Richtung bewegt, so treten zwischen Probe und Spitze Reibungskräfte auf. Der Cantilever erfährt dann entlang seiner Längsachse Torsionskräfte, die ortsaufgelöst abgebildet werden können. Bei der Abtastung der Oberflächen von Haftklebstoffen treten außerdem sehr große Adhäsionkräfte auf, so daß die Sonden abreißen können. Zur Abbildung dieser adhäsiven Wechselwirkungen hat sich der Betrieb des RKMs im „Pulsed Force Mode“ als wesentlich geeigneter erwiesen, da bei dieser Betriebsweise die Probenoberfläche nicht kontinuierlich sondern nur punktuell berührt wird.

Grundlagen: Kraft/Distanz-Kurven

Der Pulsed Force Mode

Kalibrierung von Catilevern

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