Arbeitsblatt Einsatz eines LEGO -AFM-Modells im Unterricht

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1 Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen Arbeitsblatt Einsatz eines LEGO -AFM-Modells im Unterricht Arbeitsunterlagen (Handout) für Lernende Datum: Mai 2014 Autoren: Fabian Thomssen, Nina Schneider Swiss Nano-Cube

2 Swiss Nano-Cube Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St.Gallen (Schweiz) Tel. +41 (0) Dieses Modul wurde im Rahmen des Projektes Swiss Nano-Cube realisiert. Autoren: Fabian Thomssen, Nina Schneider Swiss Nano-Cube

3 Handout "Rastersondenmikroskopie" 1. Rastersondenmikroskopie 1 Bei der Rastersondenmikroskopie (Scanning Probe Microscopy, SPM) wird das Bild einer Probe nicht, wie bei herkömmlichen Mikroskopen, optisch erzeugt, sondern durch Abtasten. Dies geschieht mithilfe einer Messspitze, die eine Oberfläche Schritt für Schritt abtastet; die Messergebnisse werden schliesslich zu einem digitalen Bild zusammengefügt Funktionsweise Das Funktionsprinzip eines Rastersondenmikroskops gleicht dem eines Plattenspielers. Die Messspitze wird über eine Oberfläche geführt und wird durch Rillen ausgelenkt. Diese Unebenheiten werden dann aufgezeichnet. Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) Die Messspitze berührt die Oberfläche minimal. Die Messspitze wird dann durch atomare Kräfte ausgelenkt. Rastertunnelmikroskop (Scanning Tunneling Microscope, STM) Die Messspitze berührt die zu messende Oberfläche nicht. Die Messspitze steht unter Spannung und der fliessende Tunnelstrom wird gemessen. Magnetkraftmikroskop (Magnetic Force Microscope, MFM) Magnetische Kräfte zwischen Messspitze und Oberfläche werden gemessen Auflösung Bei diesem Verfahren können Auflösungen von bis zu 10 Pikometer (pm) erreicht werden. Atome haben im Vergleich eine Grösse von ca. 100 pm. Rastersondenmikroskope erlauben aber nicht nur extrem hohe Auflösungen, es ist auch möglich, Atome zu manipulieren. Man entfernt dabei bestimmte Atome und setzt diese an einem anderen Ort wieder ab. Copyright SecretDisc - Wikimedia Das ist die Messspitze am Ende des Cantilevers in 1000-facher Vergrösserung Swiss Nano-Cube 1/10

4 2. Rasterkraftmikroskop 2 Das Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) ist ein spezielles Rastersondenmikroskop, das sowohl zur mechanischen Abtastung von Oberflächen wie auch zum Messen atomarer Kräfte auf der Nanometerskala verwendet werden kann. Es wurde 1986 von Christoph Gerber, Gerd Binnig und Calvin Quate entwickelt Messprinzip Es wird eine nanoskopisch kleine Messspitze rasterartig über eine Oberfläche bewegt, diese ist am sogenannten "Cantilever" befestigt. Durch kleinste Unebenheiten, die mit dem Auge nicht erkennbar sind, wird der Cantilever ausgelenkt. Diese Auslenkung kann mit optischen Sensoren (Lichtsensoren/Photodetektoren) gemessen werden. Durch das rasterähnliche Abtasten der Oberfläche wird anschliessend ein digitales Bild aus den ermittelten Daten zusammengesetzt. Die Auflösung eines Rasterkraftmikroskops würde im Idealfall sogar dazu reichen, einzelne Atome aufzuzeichnen. Rasterkraftmikroskope bieten somit gemeinsam mit Rastertunnelmikroskopen die höchsten Auflösungen aller mikroskopischen Techniken. Die Geschwindigkeit von Rasterkraftmikroskopen liegt normalerweise zwischen 0.5 und 10 Zeilen pro Sekunde. Das ergibt ungefähr eine Messzeit von 10 bis 20 Minuten pro Bild. Copyright Twisp & Cepheiden - Wikimedia Swiss Nano-Cube 2/10

5 2.2. Aufbau Eine Messspitze befindet sich am Ende des biegsamen Hebelarms (Cantilever). Diese Messspitze fährt in geringem Abstand über die Probenoberfläche. Die Auslenkungen des Cantilevers werden hoch aufgelöst gemessen; meist geschieht dies mithilfe eines Laserstrahls, der auf die Spitze gerichtet ist; der reflektierte Strahl wird von Lichtsensoren aufgefangen (Lichtzeigerprinzip). Die Auslenkungen des Cantilevers geben Aufschluss über die Eigenschaften der gemessenen Oberfläche. Ein weiteres wichtiges Element ist der Controller, der die Bewegungen des Scanners steuert sowie die aufgezeichneten Signale auswertet. Copyright freiermensch - Wikimedia Das obige Bild zeigt eine rasterkraftmikroskopische Abbildung einer CD Störungen während der Messung Bei jeder Messung können verschiedenste Störungen auftreten, deshalb müssen die ausgewerteten Daten im Nachhinein analysiert werden. Die Daten werden zudem durch systembedingte Fehler überlagert. Vibrationen Diese entstehen durch Schwingungen in der Umgebung. Rasterkraftmikroskope stehen deshalb häufig auf schwingungsisolierten Tischen. Gleichfalls kann akustischer Schall bei Messungen eine Störquelle darstellen und die Messdaten verfälschen. Deshalb betreibt man Rasterkraftmikroskope oft in Schallschutzboxen oder in einem Vakuum. Thermischer Drift Durch thermische Ausdehnungen (durch Wärme) zwischen Oberfläche und Cantilever kann es zu kleinsten Verschiebungen von nur wenigen Nanometern kommen. Diese sind dann als Verzerrung im Messergebnis zu erkennen. Interferenzerscheinungen Bei stark reflektierenden Probenoberflächen kann es vorkommen, dass ein Teil des Laserstrahls zurückgeworfen wird und somit die Messergebnisse verfälscht. Statische Aufladungen Elektrische Ladungen, die von der Messspitze aufgenommen werden, können Messergebnisse stark verfälschen oder ganz unbrauchbar machen. Nichtmetallische Oberflächen können zur Vermeidung mit einer feinen Goldschicht bedampft werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Ionisierung der Luft mithilfe einer radioaktiven Quelle Swiss Nano-Cube 3/10

6 2.4. Betriebsmodi Es gibt unterschiedliche Betriebsmodi und Messverfahren, die hier der Vollständigkeit halber noch aufgeführt werden. Diese Betriebsmodi und Messverfahren sind nicht direkt relevant für das Verständnis der Funktionsweise des Rasterkraftmikroskops oder dem Bau des LEGO - AFM-Modells, allerdings für das Gesamtverständnis. Kontakt-Modus In allen Kontakt-Modi steht die Messspitze in direktem physischen Kontakt zur abgescannten Oberfläche. Zwischen den Elektronenhüllen und der Messspitze entsteht dadurch eine starke elektrostatische Abstossung. Modus mit konstanter Höhe (constant height mode) Dies ist die älteste Messmethode des Rasterkraftmikroskops. Die Messspitze bleibt dabei stets auf gleicher Höhe und verbiegt sich entsprechend der Oberflächenstruktur des zu messenden Materials. Da dadurch die wirkenden Kräfte unterschiedlich stark sind, eignet sich dieser Modus vor allem für sehr glatte und harte Oberflächen. Bei dieser Methode können hohe Geschwindigkeiten von über 10 Zeilen pro Sekunde erreicht werden. Modus mit konstanter Kraft (constant force mode) Bei diesem Modus wird der Aufhängepunkt des Cantilevers so gesteuert, dass die Kraft zwischen Messspitze und Oberfläche möglichst gleich bleibt. Da die Kräfte ständig gemessen werden müssen, ist mit dieser Methode nur eine eingeschränkte Geschwindigkeit erreichbar. Diese liegt bei handelsüblichen Rasterkraftmikroskopen bei ungefähr 4 Zeilen pro Sekunde. Nicht-Kontakt-Modus (nc-mode, dynamic mode) Die Messspitze hat bei diesem Modus keinen direkten Kontakt zur Oberfläche, sondern wird lediglich mit einer externen Kraft zu Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen werden so gesteuert, dass der Cantilever immer mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Durch die entstehenden Kräfte beim Abtasten einer Oberfläche ändert sich diese Frequenz. Die dabei entstehenden Veränderungen werden aufgezeichnet. Üblicherweise wird der Nicht-Kontakt- Modus in einem Vakuum eingesetzt und erzielt dabei die höchsten Auflösungen aller Betriebsmodi. Mithilfe dieser Methode können sogar einzelne Atome bildlich dargestellt werden. Intermittierender Modus (intermittent contact mode) Der Unterschied zum Nicht-Kontakt-Modus besteht darin, dass die Anregung extern bei einer festen Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des Cantilevers vorgenommen wird. Durch Kräfte zwischen der Messspitze und der Oberfläche verändert sich die Resonanzfrequenz des Systems. Dieser Modus wird meistens bei Messungen unter Umgebungsbedingungen oder in Flüssigkeiten genutzt Swiss Nano-Cube 4/10

7 2.5. Andere Messverfahren Magnetkraftmikroskopie (magnetic force microscopy, MFM) Sie dient zur Untersuchung der Magnetstärke in der Probe. Bei der Messung hat die Messspitze keinen Kontakt zur Oberfläche, ist aber mit einem ferromagnetischen Material beschichtet. Die Messung wird für jede Bildzeile zweimal durchgeführt. Im ersten Durchgang wird das Höhenprofil der Oberfläche festgestellt, im zweiten wird die Messspitze mit einem konstanten Abstand von ca. 100 Nanometer (nm) über die Oberfläche geführt. Die Messdaten werden nicht durch die mechanische Auslenkung des Cantilevers gemessen, sondern durch unterschiedliche magnetische Kräfte. Reibungskraftmessung (friction force measurement, FFM) Die Messung erfolgt hierbei im Modus mit konstanter Kraft. Während dem Scannen wird zusätzlich die Neigung des Cantilevers aufgezeichnet. Da der Cantilever sich wegen der Reibung zwischen Messspitze und Oberfläche unterschiedlich stark verdreht, können Aussagen über die Materialzusammensetzung der Probenoberfläche gemacht werden. Chemische Kraftmikroskopie (chemical force microscopy, CFM) Sie ermöglicht die chemische Abbildung verschiedenster Oberflächen und ist nanometergenau. Man verwendet dabei modifizierte Messspitzen und verschiedene flüssige Abbildungsmittel, sodass immer nur eine Wechselwirkung mit der Oberfläche auftritt. Durch diese Technik können zusätzlich Dichte, Steifigkeit, Stärke der Wechselwirkung sowie weitere physikalische und chemische Grössen bestimmt werden. Stromspannungs-Mikroskopie (current sensing atomic force microscopy, CS-AFM) Im Kontaktmodus wird eine Spannung zwischen Messspitze und Oberfläche hergestellt und der entstehende Strom wird als Information im Bild ausgegeben. Diese Messtechnik erfordert eine mit leitendem Material beschichtete Messspitze, meistens wird eine Platinbeschichtung verwendet. Raster-Kelvin-Mikroskopie (kelvin force microscopy, KFM) Es wird eine leitfähige Messspitze verwendet. Messspitze und Oberfläche haben häufig eine unterschiedliche Austrittsenergie. Dadurch tritt im Falle eines leitenden Kontaktes eine Spannung auf, die zur Messung von elektrostatischen Eigenschaften genutzt wird. Diese Technik erlaubt Aussagen über die Austrittsenergie und kann ebenfalls den Spannungsverlauf einer Oberfläche visualisieren Swiss Nano-Cube 5/10

8 3. Glossar Hier werden noch einmal alle wichtigen Begriffe erklärt, die im Text vorkommen. Eine Messspitze ist ein Instrument zum Messen oder zur Messspitze Untersuchung bestimmter Werte. Tunnelstrom Ein Strom kann normalerweise nur durch Leiter oder Halbleiter fliessen. Durch einen Nichtleiter findet kein Stromfluss statt, ausser diese Barriere ist sehr klein. Dann kommt es zu einem Stromfluss, obwohl die beiden Leiter durch eine Barriere getrennt sind. Die Elektronen "tunneln" von Leiter zu Leiter. Pikometer 1 Pikometer = Meter (10-12 m) Nanometer 1 Nanometer = Meter (10-9 m) Cantilever Probe Lichtzeigerprinzip Frequenz Resonanzfrequenz Vakuum ferromagnetisch Wechselwirkung Austrittsenergie Der Fachbegriff für den Hebelarm des Rasterkraftmikroskops. Die Messspitze ist daran befestigt. Der Fachbegriff für die Oberfläche, die man mit Rastersondenmikroskopen misst. Ein Lichtzeiger ermöglicht einem Messgerät die Wahrnehmung kleinster Messwertveränderungen, die mit einem mechanischen Zeiger nicht darstellbar wären. Sie ist ein Mass für die Häufigkeit von Wiederholungen innerhalb eines Zeitraums. Sie wird häufig bei der Messung von Schall verwendet. Sie ist die Frequenz, bei der die Amplitude eines Systems grösser ist, als bei Anregung durch benachbarte Frequenzen. Sie ist häufig unerwünscht, vor allem bei Gebäuden, Brücken und Seilbahnen. Ein Vakuum ist ein luftleerer Raum Hochvakuum: hpa (mbar) Hierbei handelt es sich um die Eigenschaft bestimmter Materialien, ihre Magnete parallel zueinander auszurichten. Das heisst, dass diese Materialien ein eigenes statisches Magnetfeld verursachen oder vom Magnetpol eines äusseren Magnetfeldes angezogen werden. Bezeichnet, wie sich verschiedene physikalische Objekte gegenseitig beeinflussen. Dazu gehören zum Beispiel auch Gravitation und Elektromagnetismus. Ein Beispiel wäre die Wechselwirkung zwischen Erde und Mond, die sich beide durch ihre Gravitation beeinflussen. Bezeichnet die Energie, die mindestens aufgewendet werden muss, um ein Elektron aus einem ungeladenen Körper zu lösen Swiss Nano-Cube 6/10

9 Aufgabe 1 - Die richtigen Parameter-Einstellungen 1) Stellen Sie den Parameter "Y-Axis Iterations" auf den Maximalwert. Wie viele Durchgänge werden genau benötigt, um die komplette Plattform ein einziges Mal zu scannen? Das AFM soll dabei keine Reihe ein zweites Mal scannen! 2) Stellen Sie den Parameter "Noise Suppression" auf den Wert "0". Wie sieht das Messergebnis dieses Mal aus? Beschreiben Sie es! 3) Stellen Sie den Parameter "Noise Suppression" nun auf die höchste Stufe. Wie hat sich das Messergebnis verändert? Versuchen Sie zu erklären, warum das so ist und was der Parameter "Noise Suppression" bewirkt! 4) Wiederholen Sie die Schritte 2 und 3 mit dem Parameter "Creep Correction"! Was fällt Ihnen dieses Mal auf? Was bewirkt der Parameter "Creep Correction"? 5) Versuchen Sie nun, die Parameter so zu verändern, dass ein optimales Messergebnis entsteht. Aufgabe 2 - Scan eines Motivs erstellen 1) Versuchen Sie, mithilfe von kleinen LEGO -Teilen die Zahl "8" darzustellen, sodass diese auf dem Scan sichtbar ist. 2) Versuchen Sie, ein kurzes Wort ihrer Wahl mit Streichhölzern auszulegen, sodass dieses auf dem Scan sichtbar ist. 3) Versuchen Sie, ein beliebiges Objekt zu scannen, das mindestens die Dicke eines Streichholzes besitzt. So könnte das Ergebnis aussehen Swiss Nano-Cube 7/10

10 Aufgabe 3 - Fragen zum Handout 1) Wie wird das Bild bei Rastersondenmikroskopen erzeugt? 2) Welches Teil tastet die Oberfläche bei Rastersondenmikroskopen ab? 3) Wie lautet die englische Abkürzung für "Rastersondenmikroskop"? 4) Wofür steht die englische Abkürzung "AFM" im DEUTSCHEN? 5) In welcher Grössenordnung bewegen sich die Auflösungen, die mit Rastersondenmikroskopen maximal erreicht werden? 6) Was unterscheidet Rastersondenmikroskope von anderen Mikroskopen? Nennen Sie mindestens zwei Eigenschaften. 7) Wer hat das Rasterkraftmikroskop im Jahr 1986 erfunden? 8) Wie lautet der Fachbegriff für den "Hebelarm" bei einem Rasterkraftmikroskop? 9) Nennen Sie mindestens zwei Störungen, die bei der Messung mit einem Rasterkraftmikroskop auftreten können. Es müssen keine Fachbegriffe sein, Erklärungen reichen aus! Swiss Nano-Cube 8/10