Rasterkraftmikroskopie ( atomic force microscopy AFM)

Universität Regensburg 8..00 Vortrag zum Seminar Mikroskopie Rasterkraftmikroskopie ( atomic force microscopy AFM) Vortrag von Emanuel Heindl

Inhaltsverzeichnis: Die Idee und das Grundmessprinzip des Rasterkraftmikroskops Aufbau. Cantilever. Spitze. Stellelemente.4 Kraftdetektion Oberflächenkräfte und ihre Wirkung. van der Waals Kräfte. kurzreichweitige Kräfte. Kapillarkräfte.4 Coulombkräfte.5 Sondenbewegung und KraftAbstandsKurven 4 Messmethodiken 4. contactmodus 4. noncontactmodus 4. partial contact modus = tapping modus 5 Interessante Anwendungen des AFM 6 Literatur

. Die Idee und das Grundmessprinzip des Rasterkraftmikroskops Das Rasterkraftmikroskop verwendet nicht wie die meisten anderen Mikroskope Elektronen oder Licht zur Abbildung einer Probe sondern Kräfte, die auf der Oberfläche der Probe wirken. Diese Kräfte fielen einem der Mitentwickler des Rastertunnelmikroskops, dem Herrn Binnig, bei seinen Messungen auf. Er hatte die Idee mit diesen Kräften Mikroskopie betreiben zu wollen. 986 entstand dann das erste Rasterkratfmikroskop. Die Probe soll dabei mit einer Spitze, angebracht auf einem mikroskopischen Taster(Cantilever), abgerastert werden. Mit diesem Cantilever wird leicht auf die Probenoberfläche gedrückt (Lastkraft), so dass das System Cantilever+Spitze beim Abfahren der Probe der Oberflächentopographie folgt. Unebenheiten üben dann Kräfte auf den Cantilever aus, dieser verbiegt sich, und die Aufgabe besteht nun darin diese Verbiegung zu messen. Letztendlich lässt sich mit dieser Verbiegungsmessung dann die Topographie rekonstruieren. Erwähnt sei dabei gleich, dass diese Messmethodik nicht die einzige ist. (siehe Kapitel 4) Für die Verbiegung des Cantilevers wird am häufigsten das Lichtzeigerprinzip verwendet. Dabei wird ein fokussierter Laserstrahl auf das Ende des Cantilevers gerichtet, da ja dort die maximale Verbiegung bei Messungen auftritt; von dort wird der Laserstrahl auf eine segmentierte Photodiode reflektiert. Ändert sich nun die Verbiegung, dann auch der Einfallswinkel und der Laserpunkt wandert auf der Photodiode.

Vorteile des AFM gegenüber anderen Mikroskopen: i) Rückschluß auf die Kernorte ist mit höherer Wahrscheinlichkeit möglich ii) Messungen an Luft und in Flüssigkeiten iii) Information über physikalische Größen auf atomarer Skala (z.b: Elastizität, chemische Bindungen, Kräfte) iv) Untersuchung nichtleitender Materialien. Aufbau. Der Cantilever Der Cantilever kann physikalisch wie eine vertikale Feder behandelt werden. Er muß drei grundlegende Bedingungen erfüllen: a) weiche Federkonstante um kleine Kräfte messen zu können und um die Probe durch die Messung nicht zu zerstören b) hohe Resonanzfrequenz, damit niederfrequente äußere Störimpulse (Straßenverkehr...) die Verbiegung des Cantilevers möglichst wenig ändern und damit ein schnelles Rastern z.b. im tapping mode möglich wird c) Thermisches Rauschen soll die Cantileververbiegung nicht wesentlich ändern Rein qualitativ gilt: c = m = groß & c = klein m = klein kleinedimensionierung res res Der Cantilever darf also nicht zu groß gebaut werden. Es muß die Abhängigkeit der Federkonstante von der Geometrie und dem Material des Cantilevers berücksichtigt werden. So gilt z.b. Für einen VFormCantilever werden dann von Fall zu Fall numerische Berechnungsmethoden eingesetzt. zum Punkt a) Es gilt Kräfte von 0 0 N zu messen c Ordnung(N/m). Das entspräche einer Verbiegung von Å ( technisch noch realisierbar). Die Probe kann desweiteren als ein System von mit Federn verbundenen Atomen angesehen werden. Es gibt also auch eine Federkonstante für interatomare Bindungen der Probe: 5 typische Atommasse: m A 0 = kg Schwingungsfrequenz(T=9K): ω A =0 Hz Das HookGesetz liefert dann c A =0N/m. Damit die Probe beim Messen nicht zerstört wird, muß stets c < ca = 0N / m zum Punkt b) Ein Resonanzfrequenzbereich von ω 0...00 ist geeignet. zum Punkt c) Die thermische Energie beträgt k B T und der Gleichverteilungssatz besagt, dass je die Hälfte dieser Energie im Mittel in der Kinetik und in der potentiellen Energie zu finden ist. Hieraus lässt sich nun eine thermische Auslenkung ausrechnen, die um so stärker wird je weicher c ist. ( ) = ( ) Rechteckiger Cantilever Zylindrischer Cantilever VFormCantilever: 4 E wt πe r c = c = keine geschl. Formel 4 l 4 l (c:federkonstante, E:Elastizitätsmodul, w,t,l: Breite, Dicke, Länge, r:radius) = c[n/m] 0, 0,0 z[å] 0,6 6,4 9 = Verarbeitet man diese Ergebnisse erhält man: c 0,..N/m c Ordnung(0N/m) (contact mode) (noncontact mode)

. Die Spitze Sie ist für die Vertikalauflösung entscheidend. Scannt man eine Oberfläche ab, dann berührt die Spitze i.a. nicht immer mit der Unterseite die Probe. Es gibt einen realen und einen scheinbaren Kontaktpunkt. Dieser Effekt lässt Kanten im Messbild ausgeschmiert erscheinen. Mathematisch ist das eine Faltung zwischen der Spitzengeometrie und der Probenoberfläche, welche man am besten erkennt, wenn die Oberfläche aus einem DiracDeltaPeak besteht und die Spitze eine beliebige Form hat. Dann misst man nicht die Probe, sondern nur die Spitze aus. Die Spitze soll einen kleinen Öffnungswinkel besitzen um Mulden ausmessen zu können, desweiteren soll sie, um eine gute Auflösung zu erzielen, eine monoatomare Spitze haben. Das Spitzenende muß eine gleichmäßige Rundung aufweisen(sonst treten Bildartefakte auf) und sie darf sich nicht intrinsisch verbiegen (sonst können kleine Stufen nicht gemessen werden). Deswegen wählt man harte Materialien wie Diamant und Siliziumverbindungen(Si, SiO,Si N 4 ). Es gibt konische, tetraedische und pyramidale Formen der Spitze und die Auflösung erzielt Werte, natürlich abhängig von der Probe, bis in den Subangströmbereich. Cantilever und Spitzenfertigung: Diese Bauteile werden am häufigsten durch Ätzprozesse gewonnen. Hierbei kann man zwei Methoden unterscheiden: das indirekte Ätzen, bei dem zuerst eine Mulde geätzt wird, dann das Cantilever+Spitzenmaterial aufgebracht wird und das direkte Ätzen, bei welchem die Spitze durch das Ätzen direkt entsteht( Bild). Zuerst wird eine Maske aufgebracht und dann beginnt das Ätzverfahren. Die Ätzgeschwindigkeit hängt dabei von äußeren Bedingungen wie Druck usw. ab und verläuft auch lateral. Ätzt man die Maske weg entstehen Spitzen mit einigen 0nm Krümmungsradius. Diese können dann durch ein thermisches Oxidierverfahren (low temperature oxidation) geschärft werden. Dabei oxidieren flache Gebiete schneller als krumme. Das Oxid lässt sich ebenfalls wieder wegätzen und nach

einigen Zyklen erhält man sehr scharfe Spitzen. Desweiteren kann man z.b. beim indirekten Ätzverfahren die Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeit von der Kristallrichtung ausnutzen. Um superscharfe Spitzen herzustellen wird auch die Elektronenstrahlablagerung (electron beam depsition EBD) oder ein Sputterverfahren mit Ionenstrahlen genutzt (focused ion beam lithographie FIB). Beim ersten bringt man eine noch stumpfe Spitze in eine Gasumgebung mit Carbonanteilen. Dieses System wird dann in ein Elektronenmikroskop gebracht, der Elektronenstrahl auf die Spitze fokussiert, dieser knackt die Gasmoleküle und es wächst eine superscharfe Spitze aus carbonhaltigem Material heran. Diese ist in ihrer Härte mit der eines Diamanten vergleichbar. Beim zweiten Verfahren verwendet man z.b. einen GaIonenStrahl und sputtert die stumpfe Spitze schärfer. Ein Elektronenmikroskop dient dabei zur Kontrolle. focused ion beam lithographie FIB electron beam deposition EBD focused ion beam lithographie FIB Mittlerweile wird für die Cantilever und Spitzenfertigung auch ein besonderer Photolack mit der Bezeichnung SU8 verwendet. Er besitzt ein besonderes Elastizitätsmodul und ermöglicht es vergleichbare Cantilever mit einer größeren Dicke zu fertigen. Fertigung des SU8 Cantilevers Vergleich SU8 Silizium Cantilever

. Die Stellelemente Sie sind für die laterale Auflösung ausschlaggebend. Verwendet werden hierfür Piezomotoren, da sie technisch einfach handzuhaben, günstig und genau genug sind. Beim AFM sind sie für den Rastermechanismus zuständig und abhängig vom Betriebsmodus auch für Cantileverschwingungen und für die Höhenverstellung. Genutzt wird der piezoelektrische Effekt: Ein mechanischer Druck sorgt für eine Ladungsschwerpunktsverschiebung in der Elementarzelle eines Kristalls mit polarer Achse. Die so entstandene Polarisation kann sich je nach Material noch verstärken und es liegt an den Kristallenden dann eine Spannung an. Technisch wird hier aber die Umkehrung des Effekts genutzt. Ein Spannung sorgt also für eine Kristallverformung. So entstehen die typischen Werte: nm/v für Quarz und 0µm/V für BaTiO. Um die Geschwindigkeit zu demonstrieren: Es ist möglich ein 40nm² Gebiet in 0,nm Schritten in s abzuscannen. Die typischen Piezoformen sind der Tripod und die Röhre, bzw. eine Kombination dieser beiden. Die Röhre hat den Vorteil dass sie mechanisch sehr stabil ist und eine große Scanweite ermöglicht. Die Probleme der Piezos: Verwendet man den Röhrenpiezo so erkennt man im letzen Bild dass dieser eine Bogenbewegung macht. Diese Bewegung muß gemessen und anschließend mit Hilfe eines Computerprogramms wegkalibriert werden. Ebenso lassen sich nichtlineare Effekte in der Ausdehnung des Piezos in den Griff bekommen. Ohne diese Kalibrierung können Quadrate anders erscheinen als sie in Wirklichkeit sind (siehe Bild). Eine Hysterese, die i.a. auch den Piezos anhaftet, lässt sich umgehen, indem man eine Scanrichtung bevorzugt. Bis jetzt ist also ein guter Piezo ein gut kalibrierter Piezo. Aber es gibt noch einen weiteren Mangel, die Drift: Zum einen sorgen Temperaturänderungen der Umgebung für eine thermische Drift, welche gerade Linien krumm erscheinen lässt (rechtes Bild oben: Wärmeeinfluß am Anfang einer Messung), zum anderen lässt das Kriechen des Piezos einen Wechsel der Elementarzellenatome in andere Gleichgewichtspositionen zu, was im Laufe der Zeit zu einer Verringerung der Ausdehnung des Kristalls führt (typisch: 0,05nm/s). Scannt man also zu langsam wird dieser Effekt im Messbild stärker. Möchte man genaue atomare Messungen durchführen sind teure Stelltische mit ständiger Positionskontrolle nötig.

.4 Kraftdetektion Es gilt Cantileververbiegungen im Subangströmbereich zu messen. Zu beachten ist hierbei, dass die Messmethodik keinen wesentlichen Einfluß auf die Cantileververbiegung haben darf und dass Schmutzschichten, welche besonders bei Messungen an Luft auf dem Cantilever sind, nicht die Messung selbst verfälschen. Wie bereits erwähnt ist das Lichtzeigerprinzip das am häufigsten verwendete, da es zusätzlich noch einfach handzuhaben ist. Die Photodiode und der Laser können in größerem Abstand zur Probe aufgebaut werden. Die eben genannten Anforderungen erfüllt auch eine kapazitive Messmethodik. Der Cantilever dient dabei als Elektrode, ihm wird eine weitere Elektrode entgegengesetzt, so dass ein Kondensator entsteht. Nun nutzt man die Abhängigkeit der Kapazität vom Elektrodenabstand. Die Auflösung ist am größten je kleiner dieser Abstand ist, aber ein Zusammenschnappen der Elektroden sollte vermieden werden. Die Kapazitätsänderung durch eine Cantileverauslenkung errechnet sich wie folgt: Auslenkung: = ε = 0 d 0 + 0 0 0 d=d 0 + d 0 Ein Beispiel zum besseren Verständnis: A=mm², d 0 =0,µm C=00pF; d=å C=0,pF Es sind auch noch kleinere Kapazitäten messbar, aber das ist bereits technisch sehr aufwendig. Der Vollständigkeit halber seien noch weitere Messmethodiken gezeigt, bei welchen entweder ein Interferometer oder ein in den Cantilever eingebauter Piezokristall, bzw. dessen Spannungsabhängigkeit aufgrund mechanischer Deformationen, genutzt wird.. Kräfte. van der Waals Kräfte Sie treten bei Abständen >4Å auf, liegen im Bereich bis 00nN und bestehen aus Teilkräften: i) WW. zwischen permanenten Dipolen (Orientierungskräfte) ii) WW. zwischen einem neutralen Atom und einem permanenten Dipol (Induktionskräfte) iii) WW. zwischen zwei neutralen Atomen (Dispersionskräfte) Die Dispersionskräfte treten aufgrund von Quantenfluktuationen auf. Sie induzieren in einem Atom einen Dipol und dieser dann in den Nachbaratomen. Daraus resultieren i.a. attraktive Kräfte. Ist der Abstand der neutralen Atome größer als 0nm beobachtet man ein verstärkten Abfall dieser Anziehung. Der Grund liegt in Retardierungseffekten. Ein von Fluktuationen erzeugter Dipol im Atom erzeugt eine Wechselwirkung, die sich mit der Lichtgeschwindigkeit

/ *. ) ( 5! fortpflanzt. Da die Quantenfluktuationen aber mit einer Frequenz von ca. 0 5 Hz (Bohrfrequenz) auftauchen, kann eine zweite Fluktuation bereits wieder im Atom einen neuen Dipol anderer Ausrichtung erzeugen. Dies führt dazu, dass Dipole von Nachbaratomen nicht so gut, relativ zueinander, ausgerichtet sind. Die attraktive Kraft fällt schwächer aus. Möchte man größere Körper anschauen, muß die WW eines jeden Atoms mit jedem anderen berücksichtigt werden, was mathematisch schwierig ist. Man macht eine Vereinfachung und berücksichtigt nur die Dispersionskraft (Sie ist für die meisten Materialien sowieso dominierend außer vielleicht für sehr polare Stoffe wie Wasser), Kräfte werden additiv, isotrop und ohne Retardierungseffekte behandelt. Dann lassen sich Spezialfälle berechnen: Atom gegenüber Oberfläche Kugel gegenüber Oberfläche + #,$'& ( ) πρ / Einmal erhält man also für das Potential einen Verlauf mit /d und das andere mal mit /d. Einmal ist es ein einzelnes Atom, das andere mal eine makroskopische Kugel. Ähnlich beeinflussen verschiedene Spitzenformen auch die absolut gemessene Kraft. Die Auflösung des AFM ist am größten beim stärksten Kraftgradienten. Bei diesen beiden Formeln also im linken Fall und man erkennt, hier für den Fall der vdwkräfte, den Grund für eine möglichst monoatomare Spitze. Der Vollständigkeit halber sei noch eine Formel für die Hamaker Konstante nach einer Berechnung von Herrn Lifshitz angegeben. Er hat dabei alle vdwkräfte einbezogen und gezeigt, dass diese Kräfte auch repulsiv sein können. 0 = 4 ε ε ε + ε Die drei verschiedenen Dielektrizitätskonstanten beziehen sich auf das Spitzen und das Probenmaterial sowie ein Material zwischen diesen beiden. Für den Fall n <n <n & ε < ε < ε ist H negativ und die Kraft repulsiv (z.b. SiO Spitze gegenüber einem Material in Glycerin). Kurzreichweitige Kräfte ε ε ε + ε ω + 6π " #%$'& Fährt man die Spitze näher an die Probe, dann können zunächst Elektronen zwischen der Probe und der Spitze tunneln. Die Tunnelaufspaltung in eine bindende und antibindende Wellenfunktion sorgt zunächst für eine weitere attraktive Kraft. Sind diese Bindungen gesättigt und wird die Spitze weiter an die Probe angenähert, treten repulsive Kräfte auf, weil die Wechselwirkung Elektronenumverteilungen hervorruft und die Kerne nicht mehr so gut abgeschirmt werden. Es tritt ein abgeschirmtes Coulombpotential auf. Desweiteren überlappen die Elektronenorbitale was zu einer Pauliabstoßung führt. Um diese abstoßenden Kräfte zu beschreiben werden phänomenologische Ansätze für das Potential gemacht z.b.: ein Exponentialansatz oder ein Potenzansatz. 6 8:9<;>=?A@CBD9<EF 7 σ0 =, 4 = 9.. 6 σ 9 = FH 0 Faßt man die bisherigen Potentiale zusammen, so ergibt sich ein Verlauf ähnlich einem LennardJonesPotential. Da der größte Kraftgradient im repulsiven Anteil des Potentials auftaucht, wird man dort auch die beste Auflösung erhalten. Die größte Kraft bei einer Messung ( ) 6 ( )( ) ( + ) ( + ) ( + ) + ( + ) R: Kugelradius C: Konstante H: Hamaker Konstante ρ: Teilchendichte

U O Y J L I X W H T PN H V K P M in diesem Bereich ist dort, wo die größte KernKernAbstoßung und wegen des Pauliprinzips die größte Elektronendichte ist. Da auch die größte Elektronendichte in der Nähe der Atomkerne auftritt, kann man behaupten, dass sich dort die Kerne befinden.. Kappilarkräfte Bei Messungen an Luft befindet sich immer Wasserdampf in der Umgebung und die eben genannten Kräfte erhöhen den Dampfdruck von Wasser über der Probenoberfläche. Damit kann aber Wasser an die Probenoberfläche kondensieren und dieser Effekt tritt besonders stark in kleinen Spalten auf. Einen solchen Spalt bilden Spitze und Probe bei Berührung und dieser füllt sich mit Wasser. Für die Wassermeniskusform wird der KelvinRadius eingeführt der sich wie folgt berechnet. = QSR ln( Aber wie bereits erwähnt muß man von einem bereits vorhandenen Wasserfilm aus der Probe ausgehen (typische Dicke:..6Å). Der Wassermeniskus übt eine Adhäsionskraft aus, die die Spitze auf die Oberfläche drückt entsprechend der Formel: 4π γ cos = + / Ein typisches Beispiel: cos(θ)=, R=00nm, γ Wasser =7mJ/m², d=d F=9*0 8 N Manche biologische Präparate werden aber bereits bei einer Lastkraft von 0 9 N beschädigt. Also muß manchmal diese Kraft unterdrückt werden und das geschieht, indem man entweder in einer Stickstoffumgebung ohne Wasserdampf oder komplett in einer Flüssigkeit misst..4 Coulombkräfte Elektrostatische Aufladungen, welche aufgrund von Ladungsfallen oder aufgrund von Ladungstrennungen beim Abrastern entstehen, haben nicht viel mit der Topographie der Probe gemein. Sie sind schwer abzuschätzen und können sogar so stark sein, dass die Probe zerstört wird. Deswegen möchte man diese Kräfte vermeiden. Eine Flüssigkeitsumgebung ist auch hier von Vorteil. Denn in das Coulombgesetz geht im Nenner die Dielektrizitätszahl des Mediums ein, und die ist z.b.: für Wasser 8. ( ) = G 4πε ε ² 0 / ( Θ) ) V M: Molvolumen p: Wasserdampfdruck p s: Sättigungsdampfdruck d: Eintauchtiefe γ: Materialkonstante Ein typisches Beispiel: T=0 C, p/p s =0,9 r k =0nm Eine Flüssigkeitsmesszelle

.5 Sondenbewegung Ist die Cantileverfederkonstante stets größer als jeder auftretende Kraftgradient F/ z < c, so verläuft die KraftAbstandskurve stetig. Eine Hysterese bedeutet, dass bei der Sondenbewegung Energie verloren ging. Ist die Federkonstante nicht immer größer als der auftretende Kraftgradient F/ z > c, so springt der Cantilever bei Annäherung an die Probe zur Oberfläche hin bis wieder die Federkonstante überwiegt. Er springt erst an der Stelle an der der Kraftgradient überwiegt. Mit dieser Methode lassen sich auch Wasserschichten auf der Probe ausmessen. Dabei tritt der Sprung bei Kontakt mit dem Meniskus des Wassers auf. Man kann sogar Aussagen über die Elastizität der Probe machen, da diese in die Steigung zwischen den Punkten A und C in der KraftAbstandsKurve eingeht. 4. Betriebsmodi 4. contact mode A:maximale attraktive Kraft B:keine Kraft C:Maximal angelegte Kraft D:Maximale adhäsive Kraft E:kein Kontakt d W:Dicke einer Adsorbatschicht Bei diesem Modus befindet man sich in Abständen von ca...å von der Probe. In diesem Bereich tritt auch der größte Kraftgradient auf, weswegen man auch die beste Auflösung erhält. Eine Messung lässt sich z.b. ausführen, indem man einfach in einem festem Abstand über die Probe fährt und die Verbiegung misst (constant height). Da aber der Cantilever nur einige nm ausgelenkt werden kann, bevor er zerstört wird, findet diese Messmethodik nur bei sehr flachen Proben Anwendung. Ein Vorteil ist aber, dass es ein schnelles Scannen ermöglicht, da man ja nicht von außen eingreift und eine Größe nachregelt. Eine Messung lässt sich auch durchführen, indem man die Verbiegung des Cantilevers konstant hält, also mit Hilfe einer elektronischen Rückkoppelschleife nachregelt(constant force). Diese ist bei jeder Probe möglich und wird auch am häufigsten eingesetzt. Hiermit lassen sich dann auch atomare Bilder aufnehmen. HOPG highly oriented pyrrolytic graphite,einige nm x nm (links), x nm (rechts) Rastert man aber rauere Strukturen ab, so sind nicht alle Details zu erkennen, da diese im Farbuntergrund versteckt sind. Denn über ein Höhenbild wird ja ein Farbverlauf gelegt, und dieser richtet sich nach der höchsten auftretenden Stufe. So kann es vorkommen, dass kleinere Strukturen im Bild nur einen geringen Farbunterschied haben und nicht mit dem Auge erkennbar sind. Man behilft mit sich mit einem Trick und zeichnet das Regelsignal auf. Bei der constantforcemessung wird die aktuelle Auslenkung des Cantilevers immer mit einem Sollwert verglichen und eine Abweichung ruft eine elektronische Nachregelung hervor. Rein mathematisch

entspricht das einer Ableitung der Oberflächengeometrie, (Z Bild). Bei allzu steilen Kanten kann es aufgrund der Nachregelungselektronik noch zu einem Überschwingen des Cantilevers kommen. Zeichnet man das Höhenbild (height image) und das Regelsignalbild (deflection image) auf, so sind Details im letzteren zu erkennen, aber die Topographie entspricht allein dem Höhenbild. Collagen, height+deflection image, 6,75 x 6,75 µm Der tolle dimensionale Effekt im Regelsignalbild wird aufgrund der Rasterrichtung hervorgerufen. Mit diesem Regelsignaltrick werden Strukturen der Probe visuell auf eine gemeinsame Höhe gesetzt. Bakterie: height+deflection image PMMAOberfläche.height+deflection image,5 x 5 µm Beim Abrastern der Probe wird aber der Cantilever aufgrund von atomaren Reibungskräften auch tordiert. Diese Reibungskräfte kann man unabhängig vom Höhenbild aufzeichnen lassen und man erhält ein neues Bild (friction image). Dieses liefert einen guten Kontrast bei Kanten auf der Oberfläche und bei verschiedenen Materialien, da diese verschiedene Reibungskoeffizienten besitzen. Die Federkonstante darf aber nicht zu weich gewählt werden und die Lastkraft sollte ausreichend sein. Teflonoberfläche, height+friction image, 5 x 5 µm Teflon auf einer, Rasierklinge, height+friction image

Mit dieser Methode ist es sogar möglich die Gitterkonstante eines Festkörpers aufzulösen. Man erhält eine Art GleitKlebeVerhalten. Im lift mode, der auch im noncontact und tapping mode eingesetzt wird, rastert man die Probe mit zwei unterschiedlichen Lastkräften ab. Entweder man scannt die Probe ab und verändert dann den Abstand zwischen Probe und Spitze und scannt noch mal, oder man fährt bei jedem Rasterpunkt einmal auf eine andere Höhe. Somit erhält man zwei Bilder, die man voneinander abzieht. Das so erhaltene Deformationsbild ist besonders sensitiv auf Elastizitätsänderungen. Meßschema: 4. noncontact mode In diesem Modus befindet man sich im Bereich der attraktiven van der Waals Kräfte in einem ProbenSpitzenAbstand von ca. 0..00nm. Die hier auftretenden Kräfte liegen im Mittel in der Größenordnung von 0 N, welche mittels einer statischen Verbiegung des Cantilevers nicht mehr messbar wären. Deswegen wird der Cantilever zu einer Schwingung nahe seiner Resonanzfrequenz angeregt. Eine Unebenheit der Probe sorgt dafür, dass der Cantilever in einen anderen Bereich des Potentials mit einem anderen Kraftgradienten rutscht. Diese Änderung des Kraftgradienten ruft eine Resonanzverschiebung hervor, welche die Amplitude des Cantilevers verringert. Das Schwingungsystem wird verstimmt. Desweiteren ändert sich auch die Phase zwischen Antrieb und Schwingung des Cantilevers. Es gilt also nun die Amplitudenänderung oder die Phasenänderung zu ermitteln, um die Topographie rekonstruieren zu können. Dabei wird fast immer die Amplitude als Nachregelungsgröße ausgewählt. Es wäre auch noch möglich die Frequenz nachzuregeln, aber das ist sehr aufwendig. Eingesetzt wird dieser Modus bei empfindlichen Proben, welche eine Lastkraft kleiner als 0 0 N erfordern. Zeichnet man dann die absolute Höhe des Vertikalpiezos auf, erhält man ähnlich wie im contact mode das Höhenbild. Die Aufzeichnung der Amplitudenänderung entspricht dem Regelsignal (amplitude image). Physikalisch muß nun eine effektive Federkonstante herangezogen werden, die den Kraftgradienten berücksichtigt. ) F \^]_] = F [ ]

f e a ` Berechnet man dann die neue Resonanzfrequenz ω, erhält man: ω c eff = m = c m F' F' = ω 0 c c Der Anschaulichkeit wegen, sei noch angenommen dass der Kraftgradient sehr viel kleiner als die Federkonstante ist (das ist aber nicht der allgemeine Fall). Dann ergibt sich für die Reonanzverschiebung: ω ω 0 ' b^c d ' << 4. tapping mode ω = ω ω )' F Die Auflösung wird noch durch zusätzliche Faktoren, wie Amplitude, Gütefaktor und Detektionsbandbreite begrenzt. Atomare Aufnahmen werden deshalb im UHV gemacht. Der Kraftgradient sorgt, wie im Bild zu erkennen ist, auch für eine Phasenverschiebung. Die Amplitude ist am größten in Resonanz, die Phase beträgt dort 90. Ein Kraftgradient verschiebt ja die Resonanzfrequenz und man wandert auf der gelben und weißen Linie, was zu einer Amplituden+Phasenänderung führt. Der Vorteil dieses Phasenbildes (phase image) liegt in der schnellen Reaktion der Phase auf eine Kraftgradientänderung. Da ein anderes Material aber auch einen anderen Kraftgradienten hat, wird in noncontactbildern eine Vermischung aus Material+Topographie aufgenommen. Bei Messungen an Luft werden desweiteren Adsorbatschichten mitgemessen. Aber auch hier hat man eine Idee entwickelt dies zu umgehen, den tapping mode. Bei jedem Schwingunszyklus wird die Spitze einmal auf die Probe aufgesetzt. Man misst damit zwar keine Adsorbatschichten mehr, aber dafür hat zusätzlich wieder die lokale Elastizität Einfluß im Messbild. Der Vorteil gegenüber dem contact mode ist die Eliminierung jeglichen Reibungseinflusses. Das heißt die Probe wird bei der Messung besonders geschont. Eingesetzt wird auch hier die Messung der Amplitudenänderung und der Phasenänderung. Jeder Messpunkt entspricht einer Kraftabstandskurve, aus der Information gewonnen werden kann. Die Vertikalauflösung ist i.a. nicht ganz so gut, wie im noncontact 0

Hier kommt die Elastizität ins Spiel cantilever löst sich von der Wasserschicht Nachschwingen des cantilevers aufgrund der Wasserschicht und contact mode, da die Spitze stärker beansprucht und schnell stumpf wird. Im tapping mode befindet man sich die meiste Zeit befindet im Bereich der vdwkräfte. Sie haben einen schwächeren Kraftgradienten, und es sind aufgrund ihrer langen Reichweite Vielatomkräfte. Die Auflösung ist also schlechter als im contact mode. F l:kraftgradient, ω 0:Resonanzfrequenz des freien cantilevers Die Cantileverschwingungen werden entweder durch Anregung des Cantilevers selbst oder der Probe erzeugt. Die beste Auflösung erhält man dort wo die Amplitude sich am stärksten mit der Frequenz ändert (also in den beiden mittleren Bildern nahe der Resonanz). Aber beide Methoden reagieren unterschiedlich sensitiv auf eine Kraftgradientänderung. Die obere Methode ist nicht allzu gut für sehr kleine Kraftgradienten geeignet, da die Änderung der Amplitude mit dem Kraftgradienten nahe der 0 nicht so stark ist wie im unteren Fall. Das heißt kleinere Kanten werden mit der unteren Methode und etwas größere Kanten mit der oberen Methode besser aufgelöst. Aluminiumoberfläche, tapping mode+nc, 500x500 nm Kopolymere Oberfäche, height+phase image Polystorol, tapping mode, height+amplitude+phase image

5. Spezielles Mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops lassen sich Nanostrukturen erzeugen, so z.b. auch Nanobeschriftungen. Man kann sich einer Oxidiermethode, der lokalen anodischen Oxidation (LAO), bedienen. Dabei wird die Wasserschicht auf der Probe genutzt. In ihr befinden sich Sauerstoffionen, die mit Hilfe einer zwischen Cantilever und Probe angelegten Spannung in die Probe getrieben werden. Die Probe wird oxidiert und es entsteht eine Erhebung. Eine andere Methode ist die Nanogravur, bei der mit der Spitze des AFM Gräben in die Probe gekratzt werden. Mit Hilfe dieser beiden Methoden ist es z. B. möglich einen EinElektronenTransistor zu bauen(g Bild). Rote Linien entsprechen dabei LAO Tunnelbarrieren und schwarze Linien sind Isolierlinien, die mit der Nanogravur hergestellt wurden. EinElektronenTransistor auf GaAs Es sei noch erwähnt, dass zur Untersuchung elektrostatischer und magnetischer Proben, spezielle Rasterkraftmikroskope entwickelt wurden, das electrostatic und das magnetic force microscope (EFM+MFM). In der Chemie wird das AFM zur Aufklärung der Wechselwirkung chemischer Substanzen eingesetzt, indem man z.b. die Spitze mit einer Substanz bestreicht und diese mit Proben reagieren lässt. In der Biologie bindet man z.b. organische Substanzen an die Spitze und bringt diese in Kontakt mit anderen. Es lassen sich auch Moleküle auseinanderziehen.

6. Literatur [] R. Sarid, scanning force microscopy [] R. Wiesendanger, scanning probe microscopy and spectroscopy [] Werner Niedermeyer, Rastersondenmikroskopie an gefüllten Elastomeren [4] Oliver Metz, Bau eines atomicforcemicroscope und Messung an dünnen Schichten und Adsorbaten [5] www.asmicro.com [6] www.olympus.com [7] www.spectroscopynow.com [8] www.nano.unr.edu/images.asp [9] www.pacificnanotech.com [0] www.quesant.com [] www.jpk.com [] www.nano.geo.unimuenchen.de [] www.thch.unibonn.de/pc/bargon/sensorik/piezoelektrizitaet.html [4] www.psia.co.kr/en/homepagearticle/tapping%0vs%0ncafmlast.pdf [5] www.home.tonline.de/home/kloster_metten/physik/facharbeit.htm#_toc55669 [6] www.micro.ecs.soton.ac.uk/activities/mems/spm/ [7] www.mcdb.colorado.edu/courses/80/lectures/class04.html [8] www.s.infm.it/fib.html [9] www.weizmann.ac.il/surflab/peter/afmworks [0] www.nano.unihannover.de/diplomarbeiten/keyser/