RASTERKRAFTMIKROSKOPIE

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1 B47 Physikalisches Praktikum für Fortgeschrittene Betreuer: Prof. Dr. Sabine Maier erlangen.de RASTERKRAFTMIKROSKOPIE

2 2 Einleitung Version: 1.0 Erstellt am

3 Versuch B47: Rasterkraftmikroskopie 3 INHALTSVERZEICHNIS 1. Einleitung Vorbereitung Das easyscan2 AFM Versuchsdurchführung Auswechseln des Cantilevers Messungen im Dynamic Mode Einstellung der Scanparameter und Spitzenannäherung Messung der Eichgitter Probe: Optimierung der Scanparameter Kalibrierung des Scanners Kalibrierung der freien Vibrations Amplitude Resonanzkurven und Amplituden Abstands Kurven Messungen im Contact Mode Cantilever Wechsel Abbildung eines optischen Speichers Abbildung von Kollagen Auswertung Dynamic Mode Contact Mode Referenzen... 21

4 4 Einleitung 1. EINLEITUNG Das Rasterkraftmikroskop (engl.: atomic force microscope, AFM) ist einer der Grundpfeiler der modernen Nanotechnologie. Mit ihm lassen sich über die Messung von Kräften verschiedenste Oberflächeneigenschaften wie z.b. Topographie, Elastizität oder Adhäsion bestimmen. Das AFM wurde 1986 von Binnig und Gerber im IBM Forschungslabor Zürich und an der Stanford University entwickelt, und gehört zur Familie der Rastersondenmikroskope (wie auch das Rastertunnelmikroskop). Alle Rastersondenmikroskope funktionieren im Grunde nach demselben Prinzip: Eine mikroskopische Sonde wird über eine Oberfläche gerastert und wechselwirkt mit ihr. Eine oder mehrere mit dieser Wechselwirkung verknüpfte Messgrößen werden aufgezeichnet und auf einem Rechner z.b. in Form eines Graustufenbildes dargestellt. Dieses Bild gibt die ortsaufgelösten Eigenschaften der Probenoberfläche wieder. Im Fall des Rasterkraftmikroskops handelt es sich bei der Sonde um eine einige Mikrometer lange Spitze, die an einer µm langen Federbalken (Cantilever) befestigt ist (Abb. 1). Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopie Aufnahme eines rechteckigen AFM Cantilevers mit folgenden Dimensionen: l = 445 μm, w = 43μm, t = 4.5μm, h = μm. (Abbildung übernommen von Ref.[1]) Wird die Spitze in Kontakt mit einer Oberfläche gebracht und entlang dieser Oberfläche gerastert, hat eine Änderung der Wechselwirkung zwischen Spitze und Oberfläche eine Verbiegung des Cantilevers zur Folge. Diese Verbiegung wird detektiert und als Signal verwendet. Um ein Abbild der Oberfläche zu erhalten wird die Verbiegung mittels eines Regelkreises konstant gehalten. Ein AFM kann auch im Nichtkontaktmodus betrieben werden, in diesem Fall wird der Cantilever in Schwingung versetzt und die Amplitude oder Frequenz der Cantileverer Schwingung verwendet um die Spitze in konstanter Höhe über die Oberfläche zu fahren. In diesem Versuch sollen beide Betriebsmoden, Kontakt und Nichtkontakt AFM, verwendet werden, um verschiedene Proben zu charakterisieren.

5 Versuch B47: Rasterkraftmikroskopie 5 2. VORBEREITUNG Um den Versuch erfolgreich durchzuführen, ist es notwendig, sich mit den folgenden Themen in der Vorbereitung zu beschäftigen: Funktionsweise und Aufbau eines Rasterkrafmikroskops Betriebsmodi eines Rasterkraftmikroskops Verhalten eines harmonischen Oszillators unter dem Einfluss einer externen Kraft Kräfte zwischen Spitze und Probe Sie sollten in der Lage sein, folgende Fragen zu beantworten: 1. Wie funktioniert ein AFM? 2. Welche sind die wichtigsten Abbildungsmodi, und was sind ihre Vor und Nachteile? 3. Wie funktioniert der Regelkreis (PI Regler) beim Abbilden mit dem AFM? 4. Welche Kräfte wirken zwischen Spitzen und Probe? Welche sind kurzreichweitig und welche langreichweitig? 5. Wie kann man das dazugehörige Potential näherungsweise beschreiben, und wie sieht die dazugehörige Kraft aus? In welchen Bereichen des Potentials bewegen sich die verschiedenen Abbildungsmodi? 6. Wie kommt der typische Verlauf einer Kraft Abstands Kurve zustande, und wie unterscheiden sich Kraft Abstands Kurven die in Luft, Wasser und Vakuum aufgenommen sind? 7. Wann gibt es Instabilitäten ( jump in, jump out ) in der Kraft Abstands Kurve? Wie kommen sie zustande? 8. In welchen Größenordnungen sind die Kräfte, die man mit einem AFM messen kann? 9. Wie verändert sich die Resonanzkurve eines eindimensionalen harmonischen Oszillators unter dem Einfluss einer konstanten Kraft bzw. eines konstanten Kraft Gradienten? Dazugehörige Bewegungsgleichung: m x + γx + kx = F (x,t) ext

6 6 Vorbereitung Literatur zur Vorbereitung (entsprechende Kapitel siehe Vorbereitungsmappe): E. Meyer, H. Hug und R. Bennewitz, Scanning Probe Microscopy: The Lab on a tip, Springer Verlag B. Bhushan, Springer Handbook of Nanotechnology, Springer, Berlin 2007 Auch als Ebook an der FAU zugänglich: Kapitel 22: Principle of Operation, Instrumentation, and Probes Kapitel 27: Dynamic modes of AFM Nanosurf easyscan2 AFM Operating Instructions (siehe unten, StudOn) principles Weitere Materialien zum Versuch inkl. Software und Bedienungsanleitung: Auf StudOn ( erlangen.de/studon/) Unter: Online Angebote» 4. Nat» 4.5 Physik» Physik der Kondensierten Materie» Professur für Experimentalphysik (Rastersondenmikroskopie)» Rasterkraftmikroskopie Passwort: B47AFM

7 Versuch B47: Rasterkraftmikroskopie 7 3. DAS EASYSCAN2 AFM In diesem Versuch wird das Rasterkraftmikroskop easyscan2 der Firma Nanosurf verwendet (Abb. 2). Hierbei handelt es sich um ein kompaktes Gerät, das leicht zu bedienen ist und mit dem eine Vielzahl von Abbildungsmodi zur Verfügung stehen. Anders als die meisten Rasterkraftmikroskope arbeitet das easyscan2 nicht mit einem piezoelektrischen, sondern mit einem elektromagnetischen Scanner. Vorteile eines elektromagnetischen Scanners sind seine hohe Linearität und dass keine Hochspannungsquelle zum Betrieb benötigt wird. Abb. 2: (a) Übersichtsbild des EasyScan2 AFM. (b) Unten und Obenansicht des Messkopfes (Abbildung übernommen von Ref. [2]). Die Kraftdetektion des easyscan2 basiert auf dem Prinzip der Lichtzeigersmethode (Abb. 3). Dabei wird ein Laserstrahl auf den Cantilever fokussiert und so reflektiert, dass er auf eine zwei geteilte Photodiode auftrifft. Wird der Cantilever beim Scannen ausgelenkt, verschiebt sich der Laser Spot auf der Photodiode vertikal. Dabei ändern sich die von den zwei Segmenten erzeugten Photoströme. Deren Differenz dient als Maß der Auslenkung des Federbalkens.

8 8 Das easyscan2 AFM Abb. 3: (a) Schematischer Aufbau eines Rasterkraftmikroskop mit Lichtzeiger Detektion. (b) Aufbau der Kraftdetektion im Messkopf des easyscan2. (Abbildung übernommen von Ref.[2]) ACHTUNG: Der Laser des easyscan2 ist ein Klasse 2M Laser, es ist daher untersagt direkt oder mit optischen Hilfsmitteln in den Laserstrahl zu blicken! Der easyscan2 Kopf ist während des gesamten Versuchs entweder auf dem Scan Tisch oder seiner Aufbewahrungsplatte zu positionieren!

9 Versuch B47: Rasterkraftmikroskopie 9 4. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 4.1 AUSWECHSELN DES CANTILEVERS Die ersten Messungen werden im sog. Dynamic Mode durchgeführt. Für diesen Modus benötigt man spezielle Cantilever (Tap190Al G von Budgetsensors: f R = 190 khz; k = 48 N/m). Das Auswechseln des Cantilevers ist nur in Anwesenheit des Betreuers durchzuführen, dabei ist zu beachten: Den Cantilever niemals berühren, da er beschädigt/zerstört werden könnte Den Cantilever Chip nur mit einer Pinzette anfassen Vor dem Wechsel des Cantilevers immer den Dropstop anbringen, sonst könnte der Cantilever in den Scan Kopf fallen und ihn beschädigen. Außerdem wird der Laserstrahl durch den Dropstop blockiert. Der Preis eines Cantilevers liegt bei ca. 40 Euro! Vorgehen beim Auswechseln des Cantilevers: 1. Ausbau des alten Cantilevers (Abb. 4): Stellen Sie den Scan Kopf auf seine Oberseite und bringen Sie den Dropstop an Drücken Sie mit dem Cantilever Insertion Tool die Cantilever Halter Feder vorsichtig herunter. Entfernen Sie den Cantilever vorsichtig mit einer Pinzette und legen ihn in seine Box. Abb. 4: (a) Anbringen des Dropstops. (b) Anbringen des Cantilever Insertion Tools. (c) Entfernen/Einsetzten des Cantilevers mit einer Pinzette. (Abbildung übernommen von Ref.[2])

10 10 Versuchsdurchführung 2. Einbau des neuen Cantilevers Nehmen Sie mit der Pinzette einen neuen Cantilever aus seiner Box Positionieren Sie den Cantilever vorsichtig auf dem Alignment Chip (Abb. 5) Abb. 5: (Links) Alignment Chip am Mikroskop. (Rechts) Unterseite des Cantilever Chip. (Abbildung übernommen von Ref.[2]) Schieben Sie den Cantilever Chip an seine richtige Position, indem Sie vorsichtig von oben auf ihn drücken. Der Cantilever Chip ist korrekt eingesetzt, wenn er sich bei leichtem Antippen von oben mit der Pinzette nicht relativ zum Alignment Chip bewegt. (Abb. 6) Abb. 6: Links: korrekt eingebauter Cantilever, der Cantilever und der Alignment Chip bilden zusammen an den Kanten kleine Dreiecke und die Lichtreflektion auf beiden Chips ist kontinuierlich; Mitte/rechts: falsch eingebaute Cantilever Ziehen Sie vorsichtig das Cantilever Insertion Tool heraus. Falls sich dabei der Cantilever Chip bewegt, ist er falsch eingesetzt Entfernen Sie den Dropstop. Setzen Sie den Scan Kopf auf den Scan Table. Verbinden Sie alle Kabel mit dem Scankopf und stellen Sie die Elektronik ein.

11 Versuch B47: Rasterkraftmikroskopie Messungen im Dynamic Mode Einstellung der Scanparameters und Spitzenannäherung In der Video Option side view einstellen, so dass der Cantilever zu erkennen ist. Abb. 7: Videoaufnahme des Cantilevers. Legen Sie das Kalibrierungsgitter (niemals die Probenoberfläche berühren) auf den Scan Tisch und positionieren es möglichst so, das seine Achsen parallel zu denen des Scan Tischs ausgerichtet sind Nehmen Sie in der Software folgende Einstellungen vor: Abb. 8: Parameters für Dynamic mode Messungen Überprüfen sie im Parameterfenster durch klicken auf more die Einstellungen unter Imaging Options

12 12 Versuchsdurchführung Nähern Sie den Cantilever folgendermaßen der Oberfläche an: 1. Den Cantilever anhand der Justierschrauben auf 1 2mm vorsichtig an die Oberfläche heranfahren und darauf achten, dass der Scan Kopf parallel zum Scan Tisch bleibt. 2. Mit Advance den Cantilever soweit grob annähern bis nur noch ein geringer Abstand zur Probenoberfläche besteht (falls ein Schatten des Cantilevers auf der Probenoberfläche zu erkennen ist, ist das eine gute Orientierungshilfe). 3. Befindet sich der Cantilever knapp über der Probenoberfläche (oder sie sind sich nicht sicher ob er noch weit entfernt ist), mit Approach die selbstständige Annäherung des easyscan aktivieren. 4. Ist die Annäherung geglückt, erscheint ein Fenster mit Approach done. 5. Die Probe Status Leuchte am Controller sollte jetzt grün leuchten. Ist die Annäherung missglückt, leuchtet sie rot, und der Cantilever ist mit Retract von der Probenoberfläche zu entfernen. Überprüfen Sie in diesem Fall nochmals, ob der Cantilever richtig auf dem Alignment Chip sitzt. Wichtig: Ist der Cantilever an die Probenoberfläche angenähert, darf der Scan Kopf, die Probe und der Scan Tisch nicht mehr berührt werden. Sonst könnte die Messung gestört und der Cantilever bzw. die Probe beschädigt werden!

13 Versuch B47: Rasterkraftmikroskopie Messung der Eichgitter Probe: Optimierung der Scanparameter Ebenenabzug: Idealerweise ist die Probenoberfläche und die xy Ebene der Probe parallel zueinander orientiert. Dies ist jedoch praktisch selten der Fall und birgt den Nachteil, dass der z controller weniger präzise funktioniert und somit kleine Details auf der Oberfläche schlechter abbildbar werden. Die Misorientierung zwischen Probenoberfläche und die xy Ebene kann mittels der slope Korrektur kompensiert werden. Aufgaben: Nehmen Sie ein AFM Bild des Eichgitters vor und nach der slope Korrektur auf. Was macht der Line Fit Filter und was ist der Unterschied zur slope Korrektur? Wie kommt die Streifenbildung bei aktiviertem Line Fit Filter zustande? Ändern Sie die Scan Einstellungen (Time/Line, Free vibration amplitude, P /I Gain) kontrolliert um eine optimale Aufnahme zu erzielen und speichern sie ab. Was wird beobachtet, wenn der Gain des Reglers zu hoch bzw. zu niedrig gewählt wird? Dokumentieren Sie dies mit AFM Bildern. Durchführung der slope Korrektur: Starten Sie ein Scan und nehmen Sie ein Bild ohne slope Korrektur auf. Überprüfen Sie während des Scans mit dem Winkelvermessungs Tool die Steigung in x Richtung im Cross Sektion Fenster Korrigieren Sie die Steigung in x Richtung, in dem Sie den gemessenen Wert bei X Slope unter den Image options eintragen. Verstellen Sie den Rotationswinkel um 90 und führen Sie die gleiche Prozedur in y Richtung durch.

14 14 Versuchsdurchführung Kalibrierung des Scanners Kontrollieren Sie, ob die Achsen des Eichgitters parallel zu den Scanachsen ausgerichtet sind; falls nicht, fahren sie mit Retract den Cantilever ein Stück von der Probenoberfläche weg und drehen das Kalibrierungsgitter in eine bessere Orientation; anschließend den Cantilever wieder vorsichtig annähern und erneut die Ausrichtung überprüfen. Die parallele Ausrichtung des Gitters erleichtert die Kalibrierung stark. Aufgabe: Führen Sie eine Kalibration des xy Scanners durch. Wie groß sind die Korrekturfaktoren? Durchführung der xy Scanner Kalibration: Vermessen Sie Ihre Aufnahme des Kalibrierungsgitters mit dem Messure Length Tool entlang der x und y Achse. Errechnen Sie aus Ihrer Messung und der tatsächlichen Länge Korrekturfaktoren für beide Achsen. Öffnen Sie über Settings > Calibration > Edit den Scan Head Calibration Editor. Zum Korrigieren der X /Y Axis Range klicken Sie jeweils auf den dazugehörigen Set Button und geben Ihren Korrekturfaktor ein. Schließen Sie die Fenster wieder, der Scanner ist jetzt kalibriert. Bilden Sie erneut das Kalibrierungsgitter mit den korrigierten Einstellungen ab und speichern es. Überprüfen Sie die Kalibrierung mit dem Messure Length Tool.

15 Versuch B47: Rasterkraftmikroskopie Kalibrierung der freien Vibrations Amplitude Die freie Vibrations Amplitude (Auslenkung des frei schwingenden Cantilevers) wird standardmäßig in Volt angegeben. Um sie in Nanometern anzugeben, ist eine Kalibrierung mit Hilfe von Amplituden Abstands Kurven nötig. Aufgaben: Bestimmen Sie den Kalibrationsfaktor für die Vibrationsamplitude von V in nm. Wie viele nm entspricht eine freie Anregungs Amplitude von 200 mv, wie Sie in den letzten Messungen verwendet wurde? Durchführung der Amplitudenkalibration: Nach einer erfolgreichen Annäherung nimmt die easyscan2 Software die z Position der Probenoberfläche bei Null Meter an. Eine negative Einstellung der z Position bedeutet eine Position oberhalb, eine positive unterhalb der Probe. Es empfiehlt sich daher immer ein langsames Herantasten an die Probenoberfläche, um den Cantilever nicht zu stark auf diese zu drücken: Übernehmen Sie folgende Parameters Einstellungen. Beachten Sie, das bei der Kurve Amplitude Spec forward aktiviert ist.

16 16 Versuchsdurchführung Nehmen Sie Amplituden Abstands Kurven auf, wobei Sie die End Value schrittweise (z.b. 10nm Schritte) erhöhen, bis die Probenoberfläche erreicht ist. Zu beachten ist, dass nach jeder Änderung des Wertes zuerst die Eingabetaste zu betätigen ist, da sonst der neue Wert bei der nächsten Messung nicht übernommen wird! Sollte der Mittelwert der Amplitude kleiner als 50 mv sein, dürfen sie den End Value nicht erhöhen sondern retract drücken und den Praktikumsbetreuer um Hilfe fragen. Speichern Sie eine Messung ab und fahren Sie den Cantilever mit Retract von der Probenoberfläche weg Um die freie Vibrations Amplitude zu kalibrieren, vermessen Sie in ihrer Aufnahme mit dem Messure Length Tool die Steigung der Kurve (= Sensitivität) Öffnen Sie über Settings Calibration Edit den Scan Head Calibration Editor und wechseln auf den I/O Signals Tab. Unter Deflection soll der Wert der Amplitude in nm bzw μm angegeben werden, der mit 10V Amplitude erwartet wird.

17 Versuch B47: Rasterkraftmikroskopie Resonanzkurven und Amplituden Abstands Kurven Aufgaben: Untersuchen Sie, wie die Amplituden Abstands Kurve von der Anregungsfrequenz abhängt. Nehmen Sie dazu 2 Amplituden Abstands Kurven auf, eine unterhalb und eine oberhalb der Resonanzfrequenz, jeweils mit angenäherter Spitze. Speichern Sie mindestens eine der Resonanzkurven ab, um in der Auswertung die Güte Q daraus zu bestimmen. Von was ist der Q Wert abhängig? Mit welcher Amplitude muss der Cantilever angeregt werden, damit eine freie Amplitude von 200 mv vorliegt? Aufnahme von Resonanzkurven: Nehmen Sie eine Resonanzkurve auf, indem sie den Freq. Sweep im Acquisition Panel betätigen. Im Vibration frequency search dialog kann die Anregungsfrequenz mit dem Marker geändert werden. Abb. 9: Resonanzkurve des Cantilevers mit ausgewählter Anregungsfrequenz höher und tiefer als die Resonanzfrequenz.

18 18 Versuchsdurchführung 4.3. MESSUNGEN IM CONTACT MODE Cantilever Wechsel Wechseln Sie in Anwesenheit des Betreuers den Cantilever (Cont Al G, f R = 25 khz; k = 0,2 N/m) Ändern Sie folgende Einstellungen in der Software: Abb. 9: "Acquisition" und "Z Conroller" Parameter für Contact Mode AFM Abbildung eines optischen Speichers Bauen Sie die optische Speicher Probe ins easyscan2 ein. Nähern Sie den Cantilever vorsichtig der Probenoberfläche an. Aufgaben: Speichern Sie mindestens eine der Kraft Abstands Kurven ab und diskutieren Sie diese in Ihrer Auswertung. Suchen Sie eine geeignete Stelle, um die Struktur des optischen Speichers abzubilden: Nehmen Sie dazu als erstes ein Übersichtsscan auf und korrigieren die Neigung der Probenoberfläche (slope correction). Zoomen sie anschließend sukzessive an eine geeignete Stelle heran, um in der Auswertung die minimale Bitgröße und den Spurabstand bestimmen zu können. (Bild speichern nicht vergessen.) Um welchen optischen Speicher handelt es sich?

19 Versuch B47: Rasterkraftmikroskopie Abbildung von Kollagen Bauen Sie die Kollagen Probe ins easyscan2 ein Nähern Sie den Cantilever vorsichtig der Probenoberfläche an Aufgaben: Bilden Sie analog zur optischen Speicher Probe eine Kollagenfaser geeignet ab. Zoomen Sie sukzessive eine geeignete Stelle heran, bis das typische Bändermuster zu erkennen ist (Daten speichern). Wieso ist oft das Bändermuster im Deflection Signal besser sichbar? Speichern Sie eine Kraft Distanz Kurve auf und neben den Fibern auf. Abb. 19: Topographie und Deflection Aufnahme einer Kollagen Probe Damit ist der praktische Teil des Versuchs abgeschlossen. Um Ihre Daten zuhause auszuwerten, benötigen Sie die easyscan2 Software, die Sie vom Betreuer bekommen können.

20 20 Auswertung 5. AUSWERTUNG Dokumentieren Sie die Aufgabenstellungen vom experimentellen Teil durch Abbildungen und Kurven und bearbeiten Sie zusätzlich folgende Aufgabestellungen: 5.1. DYNAMIC MODE a) Beschreiben Sie, was auf der Abbildung des Kalibrierungsgitters zu erkennen ist. Wie kommt die Streifenbildung bei aktiviertem Line Fit Filter zustande? Wie kann man die Streifen loswerden? Was ist zu beobachten bei zu geringem bzw. zu hohem I Gain? Abb. 10: Kalibrationsgitter mit (links)und ohne Line Fit Filer (rechts) [2] b) Geben Sie ihre Kalibrationsfaktoren an. Wie stark ist die Restabweichung nach der Kalibrierung? c) Welche Eigenschaft muss die Probe erfüllen damit solch eine Kalibrierung der freien Vibrations Amplitude sinnvoll ist? d) Deuten Sie den Verlauf ihrer Amplituden Abstands Kurven und vergleichen ihn mit dem theoretisch zu erwartenden. Welche Unterschiede treten auf, wenn man unter bzw. oberhalb der Resonanzfrequenz des Cantilevers anregt? Lesen Sie aus den Amplituden Abstands Kurven die Größe des attraktiven Wechselwirkungsbereichs zwischen Probenoberfläche und Cantilever Spitze ab. e) Bestimmen Sie aus den Resonanzkurven die Güte Q des Cantilevers.

21 Versuch B47: Rasterkraftmikroskopie CONTACT MODE a) Erläutern Sie den Verlauf der Kraft Abstands Kurven. Wie kommt die Hysterese zwischen dem Verlauf beim Annähern und Entfernen der Cantilever Spitze von der Probenoberfläche zustande? Geben Sie die maximale Andruckkraft und die maximale Adhäsionskraft an. b) Erklären Sie kurz die wesentlichen strukturellen Unterschiede zwischen einer CD und einer DVD. Bestimmen Sie mit Hilfe des Length Tools die minimale Bitgröße und den Spurabstand der verwendeten Probe, und entscheiden Sie um welche Art optischen Speichers es sich handelt. c) Wählen Sie geeignete Kollagenfibrillen aus ihren Aufnahmen und bestimmen anhand dieser die charakteristische Periodizität der Bänder. Verwenden Sie dazu das Cross Section Tool, mit dem sie einen Längsschnitt durch die Kollagenfibrillen legen können. d) Kraft Distanzkurven: Ist die Si Probe oder sind die Kollagenfibrillen weicher? 6. REFERENZEN [1] B. Bhushan, Springer Handbook of Nanotechnology (Springer, 2010). [2] Nanosurf, Nanosurf easyscan 2 AFM Operating Instructions 2011).