Rasterkraftmikroskopie. (atomic force microscopy)

Transkript

1 Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy)

2 Rasterkraftmikroskopie Einleitung Überblick Die Vorläufertechnologie Rastertunnelmikroskopie Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie Aufbau und Funktionsweise Betriebsmodi Anwendungsbeispiele

3 Einleitung 1982 Einführung der Rastertunnelmikroskopie durch Gerd Binning / Heinrich Rohrer (Nobelpreis für Physik 1986) Prinzip: Abrastern einer zu untersuchenden Oberfläche durch eine Sonde Erstellen eines Höhenprofils Meßgröße: Tunnelstrom in Abhängigkeit vom Abstand zur Probe Vorteile gegenüber SEM und TEM: atomare Auflösung erreichbar kein UHV notwendig

4 Die Vorläufertechnologie - Rastertunnelmikroskopie Prinzip: Metallische Spitze wird sehr dicht an elektrisch leitende Oberfläche gebracht Obwohl kein Kontakt besteht, existiert für die Elektronen eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, die Potentialbarriere der Isolatorschicht zu überwinden (Tunneleffekt) Messung des Tunnelstromes gibt Information über den Abstand der Sonde zur Oberfläche (Bei Verringerung des Abstandes um 0,1 nm steigt der Tunnelstrom auf das 10fache an) Erreichbare Auflösung: axial: 0,01Å lateral: 1Å

5 Theorie der RTM Quantenmechanik: Elektron wird durch Wellenfunktion Ψ(d) beschrieben, die im Isolator exponentiell abfällt Φ Μ : Austrittsarbeit des Metalls E F : Fermienergie Ψ( d) = Ψ0 exp( κd ) κ = 2m( Φ M EF ) h Tunnelwahrscheinlichkeit: W ( d) = Ψ( d) 2 = Ψ 0 2 exp( 2κd ) Tunnelstrom proportional zur Tunnelwahrscheinlichkeit typische Werte zwischen 1pA und 50 na, Strom wird üblicherweise über Feedback- Schleife konstant gehalten

6 Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie aus der RTM Einschränkung der RTM: Nur elektrisch leitfähige Oberflächen können untersucht werden Weiterentwicklung der RTM zur Rasterkraftmikroskopie durch Binning, Quate, Gerber 1985 Gleiches Rasterprinzip, Meßgröße: Kraft zwischen Sonde und Probe Geeignet zur Untersuchung jedes festen und weichen Materials in diversen Umgebungen (Luft, Gase oder Flüssigkeiten) daher sehr gut in Biowissenschaften einsetzbar

7 Rasterkraftmikroskopie Einleitung Aufbau und Funktionsweise Allgemeiner Aufbau Piezoelemente Spitzen und Cantilever Auflösungsvermögen Kräfte zwischen Spitze und Probe Betriebsmodi Anwendungsbeispiele

8 Aufbau und Funktionsweise Funktionsprinzip wie Plattenspieler: Empfindliche Nadel wird über unebene Oberfläche gezogen und tastet Höhenprofil ab Tastspitze an Federbalken ( Cantilever ) angebracht Detektion von Auslenkungen mit Hilfe eines auf die Spitze fokussierten Laserstrahls Reflexion des Strahls auf ein Photodioden - Meßfeld

9 Aufbau und Funktionsweise Zeilenweises Abscannen der xy-ebene mit konstanter Geschwindigkeit Jeder gemessenen Verbiegung des Federbalkens wird ein Helligkeitswert zugeordnet Erzeugung eines Falschfarbenbildes der Probe Spitze darf nicht zu fest auf die Oberfläche drücken: Regulierung der z-bewegung durch Feedback Schleife (präzise Bewegung durch Piezo-Element)

10 Piezoelemente Piezoelektrischer Effekt: Bindeglied zwischen Mechanik und Elektrostatik Deformation eines Kristalls durch eine äußere Kraft führt zu einer Verschiebung der Ladungsschwerpunkte, im Kristallinneren entsteht eine elektrische Polarisation, nach außen hin sind Oberflächenladungen messbar Effekt auch umkehrbar Piezoelektrisches Material (z.b. Quarz SiO 2 ) dehnt sich bei Anlegen einer äußeren Spannung senkrecht zum Feld aus oder zieht sich zusammen (je nach Polarität) Piezoelemente werden zur schnellen, präzisen Bewegung der Probe oder des Cantilevers eingesetzt

11 Spitzen und Cantilever Cantilever meist Balken- oder V-förmig, Spitzen selber pyramidenförmig oder konisch Spitzenradius bis zu 10 nm klein Resonanzfrequenzen von 1kHz bis 500 khz Gebräuchliche Materialien: Si, SiO 2, Si 3 N 4

12 Um die Cantilever-Verbiegung mit der Federkonstanten in Verbindung zu bringen, verwendet man das Hooke`sche Gesetz z= F/k Die Resonanzfrequenz eines Cantilevers ist gegeben durch ω 0 = (k/m) 1/2 Die Empfindlichkeit erhöht sich mit Erniedrigung der Federkonstanten Jedoch: Um die Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen zu minimieren und die Scanrate zu optimieren ist eine höhere Federkonstante nötig Zudem wird die Empfindlichkeit von thermischen Schwingungen des Federbalkens beeinflußt dabei gilt ( z) therm = (k B T/k) 1/2 Die Auswahl des Cantilevers ist aus diesen Gründen gut zu überlegen, typische Federkonstanten liegen im Bereich von 0,1 N/m bis 1 N/m

13 Auflösungsvermögen Auflösung des AFM durch Radius der Spitze limitiert Modell: rollende Kugel auf unebener Oberfläche - Erhöhungen werden verstärkt, Vertiefungen abgeschwächt Erreichbare Auflösung hängt sehr stark von den Eigenschaften der Probenoberfläche ab

14 Auflösungsvermögen Unter Umgebungsbedingungen sind die meisten Oberflächen von einem Flüssigkeitsfilm bedeckt Ausbildung eines Meniskus führt zu Vergrößerung des Wechselwirkungsbereiches zwischen Spitze und Probe Bei weichen Proben kann ein Eindringen der Spitze in die Probe die Abbildung beeinflussen Atomare Auflösung bei harten regelmäßigen Proben leichter zu erreichen als bei weichen Proben mit großen Höhenunterschieden

15 Kräfte zwischen Spitze und Probe Beschreibung von Kraft-Abstand Beziehung aufgrund verschiedener wirkender Kräfte sehr komplex Nährungsweise beschrieben durch Lennard-Jones Potential C V ( d) = 1 + d 12 abstoßende Pauli WW für Abstände unter 2Å C d 2 6 für Abstände >2Å überwiegen anziehende Van der Waals WW zwischen Probe und Spitze (induzierte Dipol WW)

16 Interatomare und intermolekulare Kräfte Chemische Kräfte: Kovalente Bindung: Überlapp der Orbitale Ionenbindung: Coulomb Wechselwirkung sehr stark, kurzreichend Elektrostatische Kräfte zwischen geladenen Molekülen langreichende, starke Kräfte Magnetische Kräfte zwischen Molekülen mit magnetischen Momenten langreichend, schwach Oberflächenspannung durch Feuchtigkeit und Adsorbate langreichend, stark Wasserstoffbrückenbindung: H kovalent gebunden an O,F,Cl,N wird polarisiert(+) durch nahegelegenes O,F,Cl,N Van der Waals Kräfte: Dipolkräfte, langreichend, anziehend

17 Rasterkraftmikroskopie Einleitung Aufbau und Funktionsweise Betriebsmodi Kontaktmodus Dynamischer Modus Vor- und Nachteile der Scanmodi Anwendungsbeispiele

18 Der Kontaktmodus ( repulsive mode ) Scannen einer Oberfläche in physical contact Cantilever-Verbiegung generiert ein Topographiebild der Probe 2 grundlegende Möglichkeiten: constant-height mode : Konstanthalten der Höhe des Piezos der den Cantilever trägt geeignet zur Darstellung von kleinen Unebenheiten constant force mode : Konstanthalten der Cantilever-Verbiegung durch Feedback Schleife meist bevorzugter Modus, geeignet für rauhe Proben, jedoch geringere Scangeschwindigkeit

19 Topographie-Bilder durch Detektion der Auf- und Abbewegung des Scanners lateral force imaging : Aufnahme seitlicher Bewegungen, hervorgerufen durch lokale Änderungen der Reibungskräfte bzw. Neigung der Oberfläche lateral force imaging

20 lateral force imaging Die seitlichen Bewegungen der Spitze werden vom Photodetektor registriert Die Bewegungen des reflektierten Laserstrahls stellen die vertikalen Bewegungen des Scanners und die horizontalen Bewegungen der Spitze dar Analyse der Oberflächenbeschaffenheit in Mischstrukturen möglich

21 Der dynamische Modus ( tapping mode ) Cantilever oszilliert normal zur Probe, berührt diese nur kurz ( intermittent contact ) Reduzierung seitlicher Bewegungen, keine Zerstörung der Probe durch permanente Kraftausübung besonders attraktiv für weiche (v.a. biologische) Proben Idealfall: laterale Auflösung 1 nm, Höhenauflösung 0,01 nm Anregung der Schwingung nahe der Resonanzfrequenz des Cantilevers (akustische Anregung des Piezos bzw. magnetische Anregung des Cantilevers )

22 Dynamischer Modus mit Änderung der Resonanzfrequenz durch auf die Spitze wirkende Kräfte Anregungsfrequenz fest, daher Änderung der Amplitude der Cantileverschwingung Anregungsspannung des Piezos bleibt konstant technisch einfach realisierbar Relation zwischen gemessener Amplitude und wirkender Kraft bereits für einfache Wechselwirkungen sehr kompliziert Geeignet für einfache Abbildungen von Oberflächen an Luft Amplitudenmessung

23 Dynamischer Modus mit Anstatt die Amplitude bei fester Frequenz zu messen, wird der Cantilever immer in seiner augenblicklichen Resonanzfrequenz getrieben Amplitude wird über zusätzliche Feedback-Schleife konstant gehalten Regelsignal für z-positionierer: Frequenzverschiebung Identifikation von unterschiedlichen Materialien aufgrund von Frequenzverschiebung Frequenzmessung

24 Einfluss der Spitze-Probe-Kraft auf die Resonanzfrequenz des Federbalkens: Falls sich das Spitze-Probe Potential im Bereich der Balkenschwingung ebenfalls quadratisch mit dem Abstand ändert, wirkt die Kraft als zusätzliche Feder und ändert die Federkonstante des Systems Die neue Resonanzfrequenz ergibt sich zu Für die Frequenzverschiebung ergibt sich

25 phase imaging Phasenverschiebung abhängig von Oberflächeneigenschaften wie Zusammensetzung, Adhäsion, Reibung und viskoeleastischen Eigenschaften Identifikation zweiphasiger Strukturen in Polymermischungen Identifikation von Kontaminationen, die im Höhenbild nicht sichtbar sind Geringere Schädigung weicher Proben als bei lateral fore imaging

26 Vor- und Nachteile der Scanmodi contact mode : Vorteile: Hohe Scangeschwindigkeiten Einziger Modus mit dem atomare Auflösung erreicht werden kann Leichteres Scannen bei extremen Topologieunterschieden Nachteile: Verzerrung der Abbildung durch laterale Kräfte In Luft können durch Kodensation hohe Kapillarkräfte entstehen Kombination von axialen und lateralen Kräften kann zur Reduzierung der Auflösung oder Zerstörung der Probe führen

27 Vor- und Nachteile der Scanmodi tapping mode : Vorteile: Höhere laterale Auflösung bei den meisten Proben Kleinere Kräfte und geringere Schädigung weicher Substanzen Fast keine lateralen Kräfte Nachteile: Deutlich geringere Scangeschwindigkeit als im contact mode

28 Rasterkraftmikroskopie Einleitung Aufbau und Funktionsweise Betriebsmodi Anwendungsbeispiele Oberflächencharakterisierung Kraftspektroskopie Entfaltung von Proteinen am Beispiel Titin Ausblick: Der IBM Millipede

29 Beispiele für Oberflächencharakterisierung mit dem AFM Quelle: Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (

30 Atomare Auflösung an einer Aufnahme im constant-heightmodus Bestimmung der Abstände der einzelnen Atome möglich a) 3D Darstellung der Graphitoberfläche b) Linienprofil zur Bestimmung des Atomabstandes Graphitprobe

31 Abbildung verschiedener Blutbestandteile Abbildung biologischer Materialien mit dem AFM möglich a) Erythrozyten, Leukozyten, Thrombozyten b) Thrombozyt

32 Abbildung von Alzheimer-Fibrillen Untersuchung von Gehirn- Fibrillen spielt wichtige Rolle bei der Erforschung der Alzheimer-Krankheit Klassische Merkmale sind die sog. Alzheimer-Fibrillen, die sich in der Großhirnrinde und im Hippocampus anhäufen

33 Kraftspektroskopie an Proteinen Mit AFM auch Messung intermolekularer Kräfte möglich Protein wird zwischen Spitze und Probe befestigt Aufnahme einer Kraft-Abstands-Kurve Entfaltung eines Multi-Domain- Proteins führt zu charakteristischer Sägezahnkurve jeder Peak repräsentiert den Abriß einer Proteindomäne

34 Kraftkurven Die Spitze wird bis zum Kontakt (2) angenähert Bindet ein Molekül an die Spitze, wird es beim Zurückziehen gestreckt (3), die am Molekül anliegende Kraft wird als Auslenkung der Feder gemessen Reißt das Molekül ab (4), kehrt der Federbalken in die Ausgangslage (5) zurück

35 Entfaltung von Proteinen am Beispiel Titin Titin: Muskelprotein, dient als passives elastisches Element, schützt Muskel vor Überdehnung Im gestrecken (aber gefalteten) Zustand Länge von mehr als 1µm Aufbau aus Immunoglobulin und Fibronektin Beta-Faltblatt-Domänen Jede Domäne besteht aus ca. 100 Aminosäuren

36 Entfaltung von Proteinen am Beispiel Titin Bei Dehnung entfalten bei ca. 200 pn die einzelnen Beta-Faltblatt-Domänen Der Anstieg der einzelnen Peaks ist ein Maß für die entropisch bedingte Elastizität des entfalteten Proteins Die Längenänderung nach jeder Spitze entspricht genau dem Betrag einer entfalteten Domäne

37 Ausblick: Der IBM Millipede Entwicklung eines Datenspeichers auf der Basis von Rasterkraftmikroskopen Mehr als tausend Sonden sollen gleichzeitig einen Datenspeicher aus Kunststoff beschreiben und auslesen können (Lochkarte im nm-maßstab) Erreichbare Speicherdichte: bis zu 400 GBits/inch 2 (entspricht dem Inhalt von 25 DVD`s auf der Fläche einer Briefmarke!)

38 Ausblick: Der IBM Millipede Durch Aufheizen des Widerstandes im Cantilever schmilzt die Spitze eine Vertiefung in die Polymerschicht Zum Lesen wird der Lesesensor erhitzt, fällt die Spitze in eine Vertiefung, kühlt der Sensor wegen des geringerem Abstandes zum Substrat geringfügig ab, was zu einer messbaren Änderung des Widerstandes führt Durch leicht versetztes Einschmelzen von Vertiefungen sind alte Daten überschreibbar (Nachweis mit mehr als Schreib Überschreib Zyklen erbracht)