RASTER-KRAFT-MIKROSKOPIE (ATOMIC FORCE MICROSCOPY AFM)

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1 RASTER-KRAFT-MIKROSKOPIE (ATOMIC FORCE MICROSCOPY AFM)

2 Inhaltsverzeichnis 1. Motivation 2. Entwickler des AFM 3. Aufbau des AFM 3.1 Spitze und Cantilever 3.2 Mechanische Rasterung 3.3 Optische Detektion 4. Prinzip des AFM 4.1 Van der Waals Kraft 4.2 Kurzreichweitige Kräfte 4.3 Kappilarkräfte 4.4 Coulombkräfte 5. Betriebsmöglichkeiten des AFM 5.1 contact Mode 5.2 noncontact mode 5.3 tapping mode 6. Aufnahmen vom AFM 7. Zusammenfassung 8. Referenzen

3 Motivation Mit dem STM war es erstmals möglich, Oberflächen im Ortsraum mit atomarer Auflösung abzubilden. Aber! Nur bei elektrisch leitfähige Oberflächen.

4 Entwickler des AFM Wegbereiter STM wurde 1982 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer in IBM Zürich Research Laboratory entwickelt 1986 gab es dafür den Nobel-Preis Im selben Jahr entwickeln Gerd Binning, Calvin Quate und Christoph Gerber das AFM

5 Entwickler des AFM Wegbereiter STM wurde 1982 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer in IBM Zürich Research Laboratory entwickelt 1986 gab es dafür den Nobel-Preis Im selben Jahr entwickeln Gerd Binning, Calvin Quate und Christoph Gerber das AFM

6 Aufbau des AFM

7 Spitze und Cantilever Cantilever wird physikalisch wie eine Feder behandelt, d.h. Weiche Federkonstante Hohe Resonanzfrequenz (ω=10 100kHz) Thermisches Rauschen soll die Cantileververbiegung nicht ändern => k 0,1 1 N/m bzw. 10 N/m Länge L=100μm, Breite B=10μm, Dicke d=1μm

8 Spitze und Cantilever Cantilever wird physikalisch wie eine Feder behandelt, d.h. Weiche Federkonstante Hohe Resonanzfrequenz (ω=10 100kHz) Thermisches Rauschen soll die Cantileververbiegung nicht ändern => k 0,1 1 N/m bzw. 10 N/m Länge L=100μm, Breite B=10μm, Dicke d=1μm

9 Spitze und Cantilever Federkonstante k: Rechteckiger Cantilever Zylindrischer Cantilever V-Form Cantilever E wt k 3 4 l 3 E r k 4 l Numerische Berechnung Eigenfrequenz t f 0, L 2 E

10 Spitze und Cantilever Radius der Spitzenendung r=100nm Kleine Öffnungswinkel Monoatomare Spitze/ Rundung Darf nicht verbiegen Hartes Material wie Diamant oder Siliziumverbindungen (Si,Si 3 N 4,SiO 2 ) Meistens Pyramidenförmig Durch Ätzprozesse mit Kalilauge

11 Spitze und Cantilever Radius der Spitzenendung r=100nm Kleine Öffnungswinkel Monoatomare Spitze/ Rundung Darf nicht verbiegen Hartes Material wie Diamant oder Siliziumverbindungen (Si,Si 3 N 4,SiO 2 ) Meistens Pyramidenförmig Durch Ätzprozesse mit Kalilauge

12 Spitze und Cantilever Radius der Spitzenendung r=100nm Kleine Öffnungswinkel Monoatomare Spitze/ Rundung Darf nicht verbiegen Hartes Material wie Diamant oder Siliziumverbindungen (Si,Si 3 N 4,SiO 2 ) Meistens Pyramidenförmig Durch Ätzprozesse mit Kalilauge

13 Mechanische Rasterung Typische Rasterbereiche μm in x- und y-richtung, 2-5μm in z-richtung Piezomotoren sind technisch einfach handzuhaben, günstig und genau genug 40nm 2 Probleme: in 0,1nm Schritten in 1s Bogenbewegung muss wegkalibriert werden Temperaturänderungen der Umgebung sorgen für eine Drift Zu langsames rastern

14 Mechanische Rasterung Typische Rasterbereiche μm in x- und y-richtung, 2-5μm in z-richtung Piezomotoren sind technisch einfach handzuhaben, günstig und genau genug 40nm 2 Probleme: in 0,1nm Schritten in 1s Bogenbewegung muss wegkalibriert werden Temperaturänderungen der Umgebung sorgen für eine Drift Zu langsames rastern

15 Kraftdetektion Lichtzeigerprinzip wird am häufigsten verwendet Vermessung der Winkeländerung

16 Kraftdetektion Lichtzeigerprinzip wird am häufigsten verwendet Vermessung der Winkeländerung Kapazitive Messmethode Vermessung der Kapazitätsänderung C 0A 1 d 1 d 0

17 Prinzip des AFM

18 Van der Waals Kraft Treten bei einem Abstand von <4Å auf 3 Teilkräfte: WW zwischen permanenten Dipol (Orientierungskräfte) WW zwischen neutralen Atom (Induktionskräfte) WW zwischen zwei Neutralen Atomen (Dispersionskräfte)

19 Van der Waals Kraft Treten bei einem Abstand von <4Å auf 3 Teilkräfte: WW zwischen permanenten Dipol (Orientierungskräfte) WW zwischen neutralen Atom (Induktionskräfte) WW zwischen zwei Neutralen Atomen (Dispersionskräfte) Potential: Lennard-Jones

20 Kurzreichweitige Kräfte Pauliabstoßung (Austauschwechselwirkung) Kraft, die auftritt, wenn Orbitale übereinander geschoben werden Grund: Elektronen mit gleichem Spin stoßen sich ab Potential:

21 Kapillarkräfte Bei Messungen an Luft befindet sich Wasserdampf an der Luft F 4 R cos( ) 1 D d

22 Coulombkräfte Elektrostatische Aufladung kann die Probe zerstören F Q Q r 0 r 2 => Rastern an einer Flüssigkeitsumgebung vermindert dieses Kraft

23 Betriebsmöglichkeiten des AFM contact mode noncontact mode tapping mode

24 Betriebsmöglichkeiten des AFM contact mode noncontact mode tapping mode

25 contact mode 1.Möglichkeit: Abstand konstant halten (ca.2,3å) und abrastern 2.Möglichkeit: Verbiegung des Cantilevers konstant halten und abrastern

26 contact mode 1.Möglichkeit: Abstand konstant halten (ca.2,3å) und abrastern 2.Möglichkeit: Verbiegung des Cantilevers konstant halten und abrastern

27 noncontact mode Abstand nm Bereich der Van der Waals WW. Auftretende Kräfte liegen im Bereich von N nicht mehr messbar Cantilever wird zu einer Schwingung nahe der Resonanzfrequenz angeregt Unebenheiten sorgen für eine Änderung des Kraftgradientens Resonanzverschiebung Amplitudenänderung F' 2k

28 tapping mode Spitze wird auf die Probe bei jeder Schwingung abgesetzt D.h. keine Reibungseinflüsse Auflösung ist schlechter als im contact und noncontact mode

29 Aufnahmen vom AFM

30 Aufnahmen vom AFM

31 Aufnahmen vom AFM

32 Aufnahmen vom AFM Dijodmethan-Tropfen unter Wasser

33 Aufnahmen vom AFM Dijodmethan-Tropfen unter Wasser NiO mit Fremdatom

34 Aufnahmen vom AFM

35 Aufnahmen vom AFM

36 Aufnahmen vom AFM

37 Aufnahmen vom AFM

38 Aufnahmen vom AFM

39 Aufnahmen vom AFM

40 Zusammenfassung Vorteile des AFM Messungen an Luft und in Flüssigkeiten Informationen über physikalische Größen auf atomarer Skala Untersuchung nichtleitender Materialien Anwendungsgebiet: Vermessung kleiner Strukturen im Nanometerbereich oder Charakterisierung von Oberflächen

41 Referenzen [1] Binnig, G., H. Rohrer, C. Gerber und E. Weibel: Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy. Phys. Rev. Lett., 49:57, [2] Bai,C.: Scanning Tunneling Microscopy and ist Application. Springer Series in Surface Sciences