Rasterkraftmikroskopie

Transkript

1 Rasterkraftmikroskopie Patrick Schömann Technische Universität München / 34

2 Übersicht 1 Geschichte der Rastersondenmikroskopie 2 Rastertunnelmikroskop 3 Rasterkraftmikroskop Aufbau Wechselwirkungskräfte Betriebsarten Artefakte Vor- und Nachteile 4 Highlights 2 / 34

3 Mikroskopklassen 3 / 34

4 Geschichte der Rastersondenmikroskopie 4 / 34

5 Geschichte der Rastersondenmikroskopie 1929 Stylus Proler 1950 Stylus Proler mit oszillierender Spitze Abbildung: Stylus Proler 5 / 34

6 1981 Rastertunnelmikroskop (STM) (Nobelpreis 1986) 1982 Optisches Nahfeld Mikroskop (SNOM) (a) STM (b) SNOM 6 / 34

7 1985 Kontakt-Modus Rasterkraftmikroskopie 1986 Magnetkraftmikroskopie Abbildung: AFM 7 / 34

8 1987 Elektrostatisches AFM 1990 IBM mit einem STM durch Atome geschrieben Abbildung: Atom bei Atom Schriftzug 8 / 34

9 1992 Nicht-Kontakt-Modus / Tapping Mode AFM 1995 Nicht-Kontakt-Modus AFM erreicht atomare Auösung Abbildung: Einzelne Atome aufgelöst 9 / 34

10 Rastertunnelmikroskop 10 / 34

11 Rastertunnelmikroskop Messung des Tunnelstroms zwischen Spitze und Oberäche Abrastern der Probenoberäche Abbildung: STM 11 / 34

12 Rasterkraftmikroskop 12 / 34

13 Aufbau eines AFM Messung der Wechselwirkung zwischen Spitze und Oberäche Abbildung: AFM 13 / 34

14 Wechselwirkungskräfte Im Wesentlichen Coulomb- und Van-der-Waals-Kräfte Bei extremer Nähe Pauli-Abstoÿung Abbildung: Kräfte 14 / 34

15 Wechselwirkungskräfte Bei Messung in Luft bildet sich ein dünner Wasserlm und somit Kapillarkräfte Messung in einer Flüssigkeit hat zusätzliche Fluiddämpfung Abbildung: Kräfte 15 / 34

16 Kontakt-Modus Spitze ist in direktem Kontakt mit der Oberäche Unterscheidung zwischen Abtastung mit konstanter Höhe und Abtastung mit konstanter Kraft 16 / 34

17 Kontakt-Modus mit konstanter Höhe ältester Modus, da die Anforderungen an die Regelungstechnik gering ist Abtastnadel verbiegt sich mit der Oberäche gröÿere Kräfte bei hohen Unebenheiten hohe Abtastrate 17 / 34

18 Kontakt-Modus mit konstanter Kraft Blattfeder mit Piezoelement nachgeregelt, so dass die Kraft konstant bleibt Regelkreis für die Bestimmung der Auslenkung 18 / 34

19 Nicht-Kontakt-Modus Anregung der Blattfeder mit ihrer Resonanzfrequenz Rückkopplungssystem mit geschlossenem Schwingkreis Kräfte zwischen Probe und Spitze ändern die Resonanzfrequenz üblicherweise in (Ultahoch-) Vakuum höchste Auösung 19 / 34

20 Intermittierender Modus / Tapping Mode Ähnlich zu Nicht-Kontakt-Modus Anregung nahe der Resonanzfrequenz Amplitude und Phase ändern sich 20 / 34

21 Artefakte Bilderzeugung ist anfällig für Artefakte Das AFM-Bild kann durch Vibrationen, Partikel auf der Spitze oder Probenoberäche und anderes beeinusst werden 21 / 34

22 Abgebrochene Spitze Abgebrochene Spitze Abbildung: Abgebrochene Spitze 22 / 34

23 Abgebrochene Spitze Abbildung: Testbild mit und ohne abgebrochene Spitze 23 / 34

24 Scanner drift Tritt im Tapping Modus auf Resonanzfrequenz bei Scanbeginn noch nicht eingestellt Abbildung: Scaner drift 24 / 34

25 Vorteile 3D Oberächenstruktur aufnehmbar Probe braucht keine spezielle Behandlung benötigt nicht zwingend ein Vakuum Biologische Proben können untersucht werden ohne sie zu zerstören 25 / 34

26 Nachteile kleine Scangröÿe relativ langsame Scangeschwindigkeit Artefakte könne auftreten scharfe Kanten können nicht gut aufgenommen werden 26 / 34

27 Highlights 27 / 34

28 Highlights Auösung von einzelnen Atomen in Molekülen mit konstanter Höhe NC-AFM Abbildung: Molekül aufgelöst 28 / 34

29 Auösung von einzelnen Sn Atomen auf einer Pb-Schicht mit Tapping-Mode AFM Abbildung: Auösung einzelner Atome 29 / 34

30 Bewegen von einzelnen DNA-Strängen mit dem AFM Abbildung: DNA Manipulation 30 / 34

31 Zusammenfassung 31 / 34

32 Zusammenfassung Methode um sub-optische Auösungen zu erreichen funktioniert mit allen Materialien kann lebende Proben untersuchen viele verschiedene Submethoden 32 / 34

33 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 33 / 34

34 Quellen http : //pharmrev.aspetjournals.org/content/60/1/43/f10.expansion http : //en.wikipedia.org/wiki/scanning t unneling microscope http : // = 3249 http : //www3.physik.uni greifswald.de/method/afm/eafm.htm http : //sysrun.haifa.il.ibm.com/ibm/history/exhibits/vintage/images/4506vv1003.jpg http : // augsburg.de/exp6/imagegallery/afmimages/afmimages d.shtml http : // aachen.de/downloads/grundlagen R KM.pdf Nature Chemistry Vol3 April 2011 Current Opinion in Structural Biology 2009, 19: Nature Vol446 1March / 34