Rasterkraftmikroskopie

Transkript

1 Rasterkraftmikroskopie Rasterkraftmikroskopische Aufnahme von roten Blutkörperchen (links) und eines Mottenflügels (rechts) Quelle: In diesem Versuch lernen Sie mit dem Rasterkraftmikroskop ein Messgerät kennen, das in vielen Bereichen der naturwissenschaftlichen Forschung unabdingbar geworden ist. Seine physikalischen Grundlagen sind ein Beispiel dafür, wie ein harmonischer Oszillator als Sensor verwendet werden kann. Weiterhin haben Sie die Möglichkeit, eine Probe Ihrer Wahl, die Sie schon immer einmal genauer anschauen wollten, mitzubringen und mittels unseres Rasterkraftmikroskopes zu untersuchen. Sie können dabei Strukturen abbilden, die weit jenseits des Auflösungsvermögens optischer Mikroskope liegen. Zusätzlich zu diesem Einführungsskript zum Versuch finden Sie am Versuch die Bedienungsanleitung des verwendeten Rasterkraftmikroskops und seiner Ansteuerungssoftware. Vor Versuchsbeginn sollten Sie unbedingt mit dem Inhalt des Einführungsskriptes vertraut sein und erst einmal mit dem Betreuer erste Schritte am Versuch durchgehen und die Bedienung besprechen. Die 1986 von Gerd Binnig, Calvin Quate und Christoph Gerber eingeführte Rasterkraftmikroskopie (engl. atomic force microscopy, AFM oder scanning force microscopy, SFM) gehört zur Gruppe der Rastersondenmikroskopie und hat sich zu einer weit verbreiten Mikroskopietechnik in der Materialwissenschaft entwickelt. Bei der Rasterkraftmikroskopie wird die Probenoberfläche mit einer an einem Biegebalken befestigten Spitze zeilenweise abgetastet. Der Aufbau ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt.

2 Abb. 1: Schematischer Aufbau des Rasterkraftmikroskopes [www. Stand 01/2010] Das Rasterkraft- wie auch das zuerst entwickelte Rastertunnelmikroskop (scanning tunneling microscope - STM) sind Instrumente, mit denen eine hoch aufgelöste Abbildung einer Oberfläche - ähnlich einem Lichtmikroskop, jedoch mit viel höherer Vergrößerung möglich ist. AFM und STM bedienen sich jedoch nichtoptischer Effekte. Wie der Name Rastersondenmikroskopie schon andeutet, wird bei diesen Verfahren eine Sonde, ähnlich dem Elektronenstrahl eines Fernsehgerätes oder Rasterelektronenmikroskopes, zweidimensional über eine Oberfläche bewegt. Je nach Beschaffenheit der Sonde lassen sich in der dritten Dimension Eigenschaften der Oberfläche im Realraum abbilden. Bei vergleichsweise einfachen experimentellen Bedingungen wird routinemäßig eine räumliche Auflösung im Bereich von 10 nm erreicht. Im Vakuum gelingt auch die Abbildung einzelner Atome. Mit den vielen verschiedenen Betriebsarten lassen sich mit einem Rasterkraftmikroskop neben der Form der Oberfläche auch magnetische, elektrische oder mechanische Eigenschaften abbilden und quantitativ analysieren. Dabei sind kein Vakuum, wie bei der Transmissionselektronenmikroskopie, oder leitende Oberflächen, wie bei der Rastertunnelmikroskopie, notwendig. Praktische Anwendungen findet die Rasterkraftmikroskopie z.b. bei der Qualitätssicherung in der Halbleiterindustrie und bei der Abbildung nanostrukturierter Materialien. Aber auch in der biophysikalischen/biomedizinischen Forschung findet das Gerät große Nachfrage. Mit AFM und STM lassen sich einzelne Atome oft recht schnell und einfach abbilden, dies sogar unter atmosphärischen Bedingungen oder auch in Lösung. Die Auflösung beträgt typischerweise 1 Å lateral und 0,1 Å vertikal. Eine erfolgreiche Kombination von Vakuumtechnik und piezoelektrischem Antrieb zu einem STM wurde 1981 von G. BINNIG, H.ROHRER und Mitarbeitern im IBM-Forschungslabor in Rüschlikon (Schweiz) demonstriert. BINNIG und

3 ROHRER erhielten dafür im Jahr 1986 zusammen mit E. RUSKA (Entwicklung des Elektronenmikroskops) den Nobelpreis für Physik. In demselben Jahr bauten beide auch das erste AFM, mit dem - im Gegensatz zum STM - auch Oberflächen nicht- oder nur schlecht leitender Materialien mit hoher Auflösung untersucht werden können. Wichtige Hinweise: Beim Umgang mit dem AFM ist stets Sorgfalt geboten! Stöße und Vibrationen haben großen Einfluss auf die Bildqualität. Der Messkopf und die Steuerelektronik des AFM enthalten hochsensible Elektronik und sind dementsprechend sorgfältig zu behandeln 1. Theorie 1.1. Physikalische Grundlagen Zwischenmolekulare Kräfte Mit dem AFM ist es möglich, auf einer Längenskala von bis 10-7 m Kräfte zwischen Oberflächen zu messen bzw. zur Untersuchung von Oberflächen zu nutzen. Einige der am häufigsten herangezogenen Kräfte sind Van-der-Waals-, Abstoßungs-, elektrostatische-, magnetische-, Reibungs- und Adhäsionskräfte. Sie alle können mit einem einfachen Aufbau, der sich ursprünglich vom STM ableitet, gemessen und/oder genutzt werden. Die Auflösung hängt beim AFM stark von diesen Kräften ab. Sie liegen typischerweise zwischen 10-8 und N. Das AFM ist aufgrund seiner vielfältigen Möglichkeiten heute sehr weit verbreitet, insbesondere in den Bereichen industrielle Materialcharakterisierung und universitärer Forschung. Gerade in der biologischen Forschung hat die Verbreitung von Rasterkraftmikroskopen in den letzten Jahren aufgrund der Möglichkeit, auch in Lösungen zu messen, enorm zugenommen. Im Folgenden sollen die wichtigsten Kräfte kurz besprochen werden. Eine vollständige Darstellung ist hier nicht möglich, der interessierte Leser sei auf die am Ende des Manuskriptes zusammengestellte Literaturliste verwiesen. 1.2 Aufbau eines Rasterkraftmikroskops Mechanische Komponenten zur Rasterung und Grobannäherung Die Positionierung des Cantilevers zur Abrasterung der Probe wird mittels einer Rastereinheit (Scanner) realisiert. Der Scanner erlaubt eine Bewegung des Cantilevers in alle 3 Raumrichtungen. Typische Rasterbereiche sind μm in x- und y- sowie 2-5 μm in z- Richtung. Der Scanner ist häufig als piezoelektrisches Röhrchen aus PZT (Blei-Zirkon-

4 Titanat) realisiert. Beim im Praktikum verwendeten Mikroskop (NanoSurf EasyScan) basiert die Rastereinheit auf einem elektromechanischen Prinzip mit Tauchspulen ähnlich einem Lautsprecher. Der Vorteil hiervon ist, dass grosse Scanbereiche mit niedrigen Spannungen erreicht werden können. Ein Nachteil ist, dass im Betrieb, auch wenn der Scanner nicht bewegt wird, elektrische Leistung aufgebracht werden muss. Bevor mit dem Abrastern der Probe begonnen werden kann, muss diese in den Arbeitsbereich der Rastereinheit, also auf einen Abstand von etwa einem Mikrometer zur Spitze gebracht werden (Grobannäherung). Beim EasyScan wird zur Grobannaherung der Schlitten, der den Scanner trägt, mittels eines Schrittmotors mit mechanischer Untersetzung in z-richtung zur Probe bewegt Spitze und Cantilever Die Spitze und der Cantilever sind die zentralen Komponenten eines Rasterkraftmikroskops. Die Wechselwirkungskraft zwischen Spitze und Probe ist die beim Kraftmikroskop betrachtete Grösse, und der Cantilever dient der Messung dieser Kraft. Am weitesten verbreitet sind Cantilever aus Silizium mit integrierter Spitze. Sie werden aus Silizium- Einkristallen durch Ätzen mit Kalilauge hergestellt. Bei der Formgebung wird ausgenutzt, dass die Ätzrate von Silizium stark von der Kristallrichtung abhängt. Die durch anisotrope Ätzprozesse hergestellten Spitzen sind häufig pyramidenförmig. Ihre Länge liegt in der Größenordnung eines Mikometers. Als Schärfemerkmal wird meist der Radius des Spitzenendes angegeben. Meist sind hier Werte von ca. 10 bis 40 nm gängig.die wichtigsten Kenngrössen eines Cantilevers sind seine Federkonstante k und seine Eigenfrequenz f0. Für quaderformige Cantilever der Länge L, der Breite w und der Stärke t beträgt die Federkonstante k k=ewt 3 /4L 3 Dabei ist E der Elastizitatsmodul. Mit der Massendichte des Cantilevermaterials ist die Eigenfrequenz f0 gegeben durch: f0=0,162t/l 2 (E/ ) 1/2 Für Silizium ist E=1,7*1011 N/m 2 und =2329 kg/m3.

5 ! Informieren Sie sich im Internet bei den großen Cantileverherstellern (z.b. Bruker probes, nanoworld.com, nanoscience.com) über die unterschiedlichen verfügbaren Cantileverarten (Stichwort AFM probes, SFM probes ) Optische Detektion der Cantilever-Auslenkung Fur die Messung der Wechselwirkungskraft zwischen Spitze und Probe existieren unterschiedliche Methoden. Alle diese Methoden beruhen auf einer Messung der Auslenkung q0 des Cantilevers aus seiner Ruhelage z. Bei den meisten Kraftmikroskopen, wie auch beim EasyScan, wird die Balkenauslenkung optisch mittels eines Lichtzeigers detektiert. Eine Laserdiode beleuchtet die Cantilever-Rückseite, das Licht wird dort reflektiert. Der Winkel des reflektierten Strahles ändert sich, wenn der Cantilever gebogen wird. Der reflektierte Laserstrahl wird auf eine Fotodiode gerichtet, die ein zur Cantileverauslenkung proportionales elektrisches Signal liefert. Mit der Lichtzeigermethode kann die Cantileverauslenkung mit einer Genauigkeit von Bruchteilen eines Angströms gemessen werden. Das Verfahren ist hauptsachlich auf Winkel und nur wenig auf absolute Hohenänderungen empfindlich. Daher beeinflusst vertikale thermische Drift das Signal kaum und der Justieraufwand bei der Inbetriebnahme ist relativ gering Ansteuerung des Mikroskops, Regeleinheit und Datenerfassung Das Bild eines Rasterkraftmikroskops ist eine Auftragung der Wechselwirkungskraft zwischen Spitze und Probe oder daraus abgeleiteter Grössen als Funktion von x und y, die bei der Abrasterung der Probe aufgezeichnet wird. Die Abrasterung der Probe kann auf zwei unterschiedliche Arten erfolgen, im Constant-Height-Modus oder im Topographiemodus. Beim Constant-Height-Modus wird während des Abrasterns der Probe in x- und y-richtung der Abstand z der Ruhelage der Spitze von der Probenoberfläche auf einem konstanten Wert gehalten. Dabei wird die mit der Wechselwirkungskraft zusammenhängende Observable als Funktion von x und y aufgezeichnet. Dies ist konzeptionell die einfachste Art der Abrasterung, die häufig auch aus Gründen der Dateninterpretation erwünscht ist. Allerdings ist der Constant-Height-Modus wegen der starken Abstandsabhängigkeit der Spitzen-Proben- Wechselwirkung nur auf atomar glatten Probenoberflachen anwendbar. Weiterhin ist es experimentell sehr schwierig, wahrend der Abrasterung einen tatsächlich konstanten Wert von z aufrechtzuerhalten. Viel weiter verbreitet ist daher der Topographiemodus. Hier wird zunächst ein Sollwert für die betrachtete Grösse der Spitzen-Proben-Wechselwirkung vorgegeben. Ein Regelkreis stellt über die Längenausdehnung des Scanners den Abstand z so

6 ein, dass der Messwert der Grösse der Spitzen-Proben-Wechselwirkung mit dem Sollwert übereinstimmt. Die so eingestellte z-position wird als Funktion von x und y aufgezeichnet. Die Funktion z(x,y) wird als Oberflächentopographie interpretiert. Messungen mit einem Rastersondenmikroskop laufen immer computergesteuert ab. Die Computersteuerung übernimmt folgende Aufgaben: 1. Grobannäherung der Spitze an die Probe 2. Ansteuerung des Scanners zur Rasterung der Probe in der xy-ebene und zur gezielten Einstellung des Spitzen-Proben-Abstands z über die Langenausdehnung des Scanners 3. Erfassung und Aufzeichnung des Messwertes der betrachteten Grösse der Spitzen-Proben- Wechselwirkung als Funktion von x und y beim Constant-Height-Modus 4. Regelung des Messwertes der betrachteten Größe der Spitzen-Proben-Wechselwirkung auf einen gegebenen Sollwert durch Einstellung des Spitzen-Proben-Abstands, und Aufzeichnung des so eingestellten z-wertes als Funktion von x und y beim Topographiemodus Das Zusammenspiel der wichtigsten Komponenten eines Rasterkraftmikroskopes bei der Bildaufzeichnung ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2: Übersicht über die Komponenten eines Rasterkraftmikroskops und deren Zusammenspiel bei der Bildentstehung. Die Zeichnung beschreibt exemplarisch eine Abbildung im statischen Modus.

7 Eine weitere Anwendung ist die Kraftmikroskopie im dynamischen Modus. Der Cantilever wird mit einer konstanten Anregungsfrequenz fdriveam, (fdriveam < f0) und einer konstanten Anregungsamplitude AdriveAM angeregt. Die bildgebende Observable ist die Amplitude des eingeschwungenen Cantilevers. Sie hängt von der Frequenzverschiebung ab. Bei der Anregungsfrequenz fdriveam schwingt der wechselwirkungsfreie Cantilever mit der Amplitude AAM. Unter der Wechselwirkung ergibt sich eine gegenüber dem frei schwingenden Fall eine verringerte Schwingungsamplitude von 55%AAM. In der z-regeleinheit wird ein Sollwert Asoll für die Schwingungsamplitude des Cantilevers in Wechselwirkung vorgegeben. Beim EasyScan wird der Sollwert als Bruchteil der Amplitude des frei schwingenden Cantilevers AAM angegeben, also etwa Asoll=55%AAM. Falls der aktuelle Messwert der Schwingungsamplitude größer ist als der Sollwert, so verringert der z-regler den Abstand z der Ruhelage der Spitze von der Probe. Ist die aktuelle Schwingungsamplitude kleiner als der Sollwert, so wird z vergrössert. Aufgezeichnet wird als Topographie die Funktion z(x,y), auf der die Schwingungsamplitude des Cantilevers bis auf Regelfehler Asoll entspricht.! Informieren Sie sich über die Wechselwirkungskräfte zwischen der Messspitze und der Oberfläche. Welche Unterschiede gibt es beim Messen in Flüssigkeit und an Luft? Mit Hilfe welchem physikalischen Zusammenhang kann die Wechselwirkung abhängig vom Abstand Spitze-Probe beschrieben werden? In welchen Bereichen arbeiten die verschiedenen bildgebenden Betriebsmodi? Das Nanosurf EasyScan Für den FP-Versuch wird ein EasyScan der Firma Nanosurf verwendet. Die wesentlichen Komponenten dieses Mikroskops sind: der Mikroskopkopf die Steuerelektronik SPM electronics (Ansteuerung des Scanners und der z- Grobpositionierung, z-regelung) das AFM-Modul DFMdrive (Funktionsgenerator und Amplitudenmessung) der Computer

8 Abbildung 3: Der AFM-Messplatz mit Mikroskopkopf und Elektronik-Modulen 1.3 Versuchsdurchführung Voreinstellungen an der Software Das EasyScan kann im intermettierenden Modus sowohl mit Anregungsfrequenzen fdriveam > f0, als auch mit Anregungsfrequenzen fdriveam < f0 betrieben werden. Wir betreiben das Mikroskop mit einer Anregungsfrequenz fdriveam < f0. Die Software ist so konzipiert, dass das Bestimmen und das Einstellen der Frequenz und der Amplitude automatisch passieren. Falls Sie doch selbst Werte eingeben möchten, gehen Sie wie folgt vor: Rufen Sie, um dies einzustellen, über den Unterpunkt Config DFMModes des Menus Options das Fenster DFM Modes Configuration auf. über dessen Schaltflache Advanced ist das Fenster Advanced DFM Configuration (Abbildung 4) zugänglich. Deaktivieren Sie dort den Auswahlkasten neben Set operating point to upper side band.

9 Abbildung4: Das Fenster Advanced DFM Configuration Abbilden des Eichgitters Bilden Sie das Eichgitter ab. Achten Sie darauf, dass die Gitterlinien entlang der x- und y- Richtungen des Scanners ausgerichtet sind. Nur so können die beiden Richtungen unabhängig voneinander geeicht werden. Das Bild des Eichgitters sollte etwa wie in Abbildung 13 aussehen. Optimieren Sie Ihr Bild durch Anpassung der Scangeschwindigkeit, des Loopgains der z-regeleinheit und der Aufdrückkraft bzw. des Amplituden-Sollwerts. Abbildung 5 zeigt eine beispielhafte Abbildung des Kalibriergitters. Abbildung 5: AFM-Bild des Eichgitters.

10 1.3.3 Abbilden einer mitgebrachten Probe Bedenken Sie bei der Wahl Ihrer Probe, dass der Scanner des EasyScan einen maximalen Rasterbereich von etwa 100 μm in x- und y- Richtung und einen maximalen z-hub von 14 μm hat. Weiterhin ist die Abbildung von Oberflächen, die eine hohe Dämpfung des Cantilevers verursachen, schwierig. Gut geeignet sind demnach relativ glatte und ebene sowie relativ harte Proben. Die Oberflächenstruktur eines menschlichen Haares kann zum Beispiel gut aufgelöst werden. Allerdings stösst man aufgrund der Krümmung der Haaroberfläche schnell an die Grenzen des z-hubs des Scanners. Viele Pflanzenteile erweisen sich insofern als sehr weiche Proben, als der Cantilever in Wechselwirkung mit ihrer Oberfläche eine so hohe Dämpfung erfährt, dass die Cantileverschwingung kaum aufrechtzuerhalten ist. Aber mit ein bisschen Geschick und der richtigen Probenpräparation wurden auch schon Stoma an Blattunterseiten abgebildet. Ein Beispiel für eine sehr gut geeignete Probe ist ein Schmetterlingsflügel (Abbildung 6), der Chitinpanzer eines Insektes oder ein Facettenauge. Aber auch eigene Ideen und Experimentierfreude sind willkommen. Abbildung 6: AFM-Bild des Flugels eines Tagpfauenauges. Dieses Bild wurde im Rahmen des Fortgeschrittenenpraktikums mit dem EasyScan DFM aufgezeichnet. Probenpraparation: Dr. Eckhard Hartmann (Universitat Augsburg, Biologie) Schwingungsdämpfung Für den Betrieb von Rastersondenmikroskopen ist es notwendig, die Meßsonde auf wenige Å Abstand (bis hin zum leichten Kontakt im Falle des AFM) zur Probe zu bringen und dort zu stabilisieren. Das Meßsignal zeigt eine starke Abhängigkeit (beim STM exponentiell, beim

11 AFM mit ca. 1/r (im non-contact mode)) von der vertikalen und lateralen Position und ist somit ausschlaggebend für die hohe Auflösung der Instrumente. Dies bedeutet aber auch, daß interne oder externe Einflüsse, die die relative Position der Sonde zur Probe verändern können, für den hochauflösenden Betrieb vermieden werden müssen Externe Einflüsse Trittschall, sonstiger Schall und Vibrationen (z.b. durch Kompressoren oder Fahrzeuge) werden durch Wände, Fußböden und Luft auf das AFM übertragen. Die anregenden Frequenzen liegen im Bereich von etwa 1 bis 20 Hz. Zusätzlich besitzen die Gebäude Eigenschwingungen in diesem Frequenzbereich, abhängig von Aufstellungsort und Etage. Diese störenden niederfrequenten Schwingungen müssen gedämpft werden. Dabei muß das Dämpfungssystem so gewählt werden, daß die Eigenfrequenz des Systems unter der Frequenz der zu dämpfenden Schwingung liegt. Gute Dämpfung wird durch Halterungen der Geräte an von der Decke herabreichenden Gummiseilen, Aufstellung auf schweren Tischen, welche auf luftgefederten Füßen stehen, Wirbelstrombremsen, Isolation mittels Viton-O-Ringen oder Kombinationen hiervon erzielt. Die Dämpfungssysteme haben Eigenfrequenzen von unter 1 bis 5 Hz. Eine Isolierung gegen Luftschall kann durch Ummantelung des Gerätes z.b. mit einer Kunststoff- oder Metallhaube erfolgen Interne Einflüsse Bedingt durch die Bewegung der Sonde auf der Probe können Teile der Sonden- und Probenhalterung und insbesondere der Positionierungseinheit zu Schwingungen angeregt werden. Die Resonanzfrequenzen dieser Elemente lassen sich durch die Konstruktion und die verwendeten Materialien beeinflussen. Durch einen kompakten Aufbau erreicht man hohe Resonanzfrequenzen. Liegt die Abtastfrequenz unter den Resonanzfrequenzen, so erfolgt keine Anregung der Schwingungen. Des Weiteren können Instabilitäten durch unterschiedliche thermische Ausdehnung und Wärmekapazität der verwendeten Bauteile auftreten. Eine sorgfältige Auswahl der Materialien, ein kompakter Aufbau sowie eine genügend lange Equilibrierungszeit des Systems zur Verringerung thermischer Drift vermindern solche Störungen Steuerung Rastersondenmikroskope werden i.a. von A/D-, D/A-Wandlern und Computern gesteuert. Für die Sonde wichtige Parameter (Auflagekraft, Tunnelspannung, Vergrößerung) können direkt

12 während des Scannens modifiziert werden. Die Ergebnisse werden in Echtzeit auf dem Monitor dargestellt. Besonders bei starken Vergrößerungen machen sich verschiedene Störungen trotz Dämpfung durch Rauschen auf der graphischen Darstellung bemerkbar. Mittels der Software läßt sich eine Filterung z.b. durch ein- oder zweidimensionale FOURIER Transformationsverfahren durchführen, die besonders bei periodischen Strukturen eine Verbesserung der Bildqualität liefert. Außerdem stellt die Software weitere Methoden zur Bildverarbeitung und -auswertung zur Verfügung. Insbesondere bei Verwendung von Filtern darf man jedoch nicht vergessen, daß durch deren Anwendung auch Information verloren gehen oder auch vorgetäuscht werden kann. 2. Aufgaben Für alle Auswertungen der AFM Aufnahmen empfiehlt es sich die kostenlose Software WSxM der Firma Nanotec zu benutzen. Hierzu die aktuellste Version über google suchen und downloaden (google Suchbegriff WSxM download). Vergessen Sie nicht die dort angegebene Literaturstelle zu zitieren, die bei Verwendung dieser Software genutzt werden soll. Aufgabe 1 Mit Hilfe der beigefügten und zugänglichen Literatur informiere man sich über rastersondenmikroskopische Verfahren sowie den piezoelektrischen Effekt. Nehmen Sie zusammen mit dem Betreuer das Gerät in Betrieb und machen sich mit der Funktionsweise vertraut! Aufgabe 2 Führen Sie mit Hilfe eines speziellen Kalibrationsgitters eine Kalibrierung des Rasterkraftmikroskopes durch. In welchem Betriebsmodus sollten Sie dazu die Kalibrationsprobe abbilden? Was müssen Sie beachten um die x- und die y-richtung des Scanners kalibrieren zu können? Aufgabe 3

13 Bilden Sie eine Zahnprobe sowohl im Kontaktmodus als auch im Dynmaischen Modus ab. Welche Unterschiede fallen Ihnen auf? Welche verschiedenen Signale können Sie im Kontaktmodus/dynamischen Modus detektieren? Bestimmen Sie zudem die Root Mean Square Roughness der Zahnoberfläche. Aufgabe 4 Nachdem Sie die Zahnprobe abgebildet haben, inkubieren Sie sie für min in Salzsäure (Handschuhe tragen! Salzsäure nicht verkippen auf Tische, Stühle, das AFM oder sonstiges!!!). Bilden Sie die Probe noch einmal ab. Messen Sie mit geeigneter Bildverarbeitungssoftware sowohl vor als auch nach der Inkubation verschiedene Höhen in der Topographie der Probe aus. Was ist durch die Inkubation in Salzsäure an der Zahnoberfläche passiert? Interpretieren Sie Ihre Ergebnisse sinnvoll und beschreiben Sie die Bedeutung der beobachteten Phänomene in Bezug auf die Auswirkungen in unserem Alltag. Bestimmen Sie zudem die Root Mean Square Roughness der Zahnoberfläche und vergleichen Sie mit Ihren Werten aus der Aufgabe 3. Aufgabe 5 Für diese Aufgabe müssen Sie das AFM im lateral force Modus betreiben. Sie erhalten eine Probe OPA (octadecylphosphonic acid) auf einem Glasobjektträger. Bilden sie die Probe im lateral force Modus ab und beschreiben Sie im Detail die Bereiche mit verschiedenen Reibungskräften und beschreiben Sie auch wie technisch diese Auslesung der Lateralkräfte erfolgt. Aufgabe 6 Sie erhalten eine Probe mit Viren und eine Probe mit Bakterien, jeweils immobilisert auf einer Oberfläche. Suchen Sie sich eine der Proben aus, bestimmen Sie dann welcher Modus geeignet ist sowie den passenden Scanbereich um die gesuchten Strukturen abzubilden und fertigen Sie eine Auswahl an repräsentativen Bildern der Probe an. Aufgabe 7

14 Suchen Sie sich eine biologische Probe (tierisch oder pflanzlich) und bilden Sie diese mit dem AFM ab. Entscheiden Sie sich für einen Abbildungsmodus je nachdem was Sie erwarten sehen zu möchten bzw. mit welchem Modus Sie mehr Informationen über die Probe bekommen können. Überlegen Sie sich wie die Probe am besten zu präparieren ist. Mögliche Beispiele für eine Probe: Insektenflügel, Insektenauge, Kleeblatt,. Stichwortverzeichnis: Rastersondenmikroskopie (Betriebsmodi, beteiligte Kräfte, Modell zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Messsonde und Probe, ), Schwingung, Phasendifferenz bei erzwungener Schwingung, Piezoeffekt, Quadrantenfotodiode, Kraftspektrokopie, Kraft- Abstands-Kurve 3. Hinweise zum Betrieb des Rasterkraftmikroskopes 3.1. Scannen Für das Scannen wird der Menüpunkt "Acquire" im Menü "Commands" oder das entsprechende Ikon gewählt, wodurch der Scanvorgang gestartet wird. Es empfiehlt sich, zunächst bei ca. 1-2 Zeilen/s und maximalem Bildausschnitt zu arbeiten Verändernder Scan- und Regelparameter Die Regelparameter (Proportional, Integral) können geändert werden, indem das Zahlenfeld neben den Parameterbezeichnungen angeklickt und neue Werte mittels der Zahlentastatur eingegeben werden. Der neue Wert wird durch Drücken der ENTER-Taste bestätigt. Die Scangeschwindigkeit muß allerdings bei geändertem Ausschnitt nicht angepaßt werden, sie skaliert sich mit. Die optimale Größe der Scangeschwindigkeit sowie der Rückkopplungsparameter sind auszuprobieren. Ein Kriterium für deren Güte sind z.b. die Qualität des Bildes sowie der RMS-Wert (random mean square, möglichst klein) des "Internal Feedback"-Signals. Auch über die Funktion "Line Scan" (findet sich im Oszilloskopfenster) kann der optimale Parametersatz ermittelt werden Ausschnittsvergrößerung Durch Verkleinerung des Parameters "Scan Range" kann ein Bildausschnitt vergrößert dargestellt werden. Durch Wahl von "Zoom/Translate" kann aber auch der zu vergrößernde Ausschnitt willkürlich festgelegt werden. Bei gedrückter linker Maustaste lässt sich dann im Scanbild die Größe des neuen Ausschnittes festlegen. Wird die linke Maustaste losgelassen,

15 lässt sich dieser Ausschnitt auf dem Bild verschieben. Durch Betätigen der rechten Maustaste wird der gewählte Ausschnitt bestätigt Graphische Darstellung, Manipulation, Auswertung Dieser Programmteil wird im Hauptmenü durch den Befehl "Image Analysis" im Menü "Window" oder das entsprechende Ikon aufgerufen. Es erlaubt Änderungen der graphischen Darstellung wie z.b. der Farbe, Schattierung, 3-D-Darstellung, Filterung (1- und 2-d-FFT), Glättung, Nivellierung, Anbringen von Beschriftungen u.v.m. Weitergehende Bildbearbeitung wie z.b. FOURIER-Filterung kann zum Verlust oder auch Vortäuschen von Information führen. Alternativ wie oben beschrieben kann WSxM verwendet werden, was sich auch empfiehlt. Machen Sie sich mit der Software vertraut. Bei Problemen und Rückfragen zur Bedienung wenden Sie sich an Ihren Betreuer Wechsel des Scanners Für verschiedene Auflösungsbereiche stehen unterschiedliche Scanner zur Verfügung. Das hier verwendete System enthält zwei Scanner. Vor dem Auswechseln des Scanners ist zunächst die Spitze aus dem Feedback zurückzuziehen. Nun kann die Spitze vorsichtig von dem Scanner entfernt werden. Zum Austausch empfiehlt es sich die Software zu schließen. Der Sondenkopf wird nun abgenommen. Nach Einsetzen der AFM-Spitze muss der neue Scannertyp noch im entsprechenden Fenster der Software ausgewählt werden. Dazu Options und config scan head wählen. Laden Sie das entsprechende Konfigurationsfile. Das File ist nach der Seriennummer des Kopfes benannt, welche auf der Unterseite des Messkopfes auf dem gelben Aufkleber gefunden werden kann. Da beide Scanner leicht unterschiedliche Dimensionen besitzen, muss der Laserstrahlengang nun neu justiert werden. 4. Literatur Braga P.C., Ricci D. (Eds.): Atomic force microscopy - Biomedical methods and applications. (Methods in Molecular Biology Vol. 242) Humana Press, Totowa 2004 (in der FP Bibliothek vorhanden)

16 G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber. Atomic Force Microscope, Phys. Rev. Lett. 56, , 1986 Intermolecular and Surface Forces, J. ISRAELACHVILI, 2nd ed., Academic Press 1992 Scanning Force Microscopy, D. SARID, Oxford University Press, Oxford 1991 Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, R. WIESENDANGER, Cambridge University Press, Cambridge 1994 Binnig, G. und H. Rohrer: In touch with atoms. Rev. Mod. Phys., 71:S324, 1999 Mark A. Poggi, Elizabeth D. Gadsby, Lawrence A. Bottomley: Scanning Probe Microscopy Anal. Chem. 76, , 2004 William F. Heinz, Jan H. Hoh: Spatially resolved force spectroscopy of biological surfaces using the atomic force microscope TIBTECH 17, 1999