Raster-Kraft-Mikroskopie (Atomic Force Microscopy AFM)
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Raster-Kraft-Mikroskopie (Atomic Force Microscopy AFM)
RASTER-KRAFT-MIKROSKOPIE (ATOMIC FORCE MICROSCOPY AFM) 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 Motivation Mit dem STM war es erstmals möglich, Oberflächen im Ortsraum mit atomarer Auflösung abzubilden. Aber! Nur bei elektrisch leitfähige Oberflächen. 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 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 Aufbau des AFM Spitze und Cantilever Cantilever wird physikalisch wie eine Feder behandelt, d.h. Weiche Federkonstante Hohe Resonanzfrequenz (ω=10…100kHz) Thermisches Rauschen soll die Cantilever- verbiegung nicht ändern => k≈0,1…1 N/m bzw. 10 N/m Länge L=100μm, Breite B=10μm, Dicke d=1μm Spitze und Cantilever Cantilever wird physikalisch wie eine Feder behandelt, d.h. Weiche Federkonstante Hohe Resonanzfrequenz (ω=10…100kHz) Thermisches Rauschen soll die Cantilever- verbiegung nicht ändern => k≈0,1…1 N/m bzw. 10 N/m Länge L=100μm, Breite B=10μm, Dicke d=1μm Spitze und Cantilever Federkonstante k: Rechteckiger Cantilever Zylindrischer Cantilever V-Form Cantilever Eigenfrequenz E wt 3 k 4 l3 3E r 4 k 4 l3 Numerische Berechnung t f 0 0,162 2 L E Spitze und Cantilever Radius der Spitzenendung r=100nm Kleine Öffnungswinkel Monoatomare Spitze/ Rundung Darf nicht verbiegen Hartes Material wie Diamant oder Siliziumverbindungen (Si,Si3N4,SiO2) Meistens Pyramidenförmig Durch Ätzprozesse mit Kalilauge Spitze und Cantilever Radius der Spitzenendung r=100nm Kleine Öffnungswinkel Monoatomare Spitze/ Rundung Darf nicht verbiegen Hartes Material wie Diamant oder Siliziumverbindungen (Si,Si3N4,SiO2) Meistens Pyramidenförmig Durch Ätzprozesse mit Kalilauge Spitze und Cantilever Radius der Spitzenendung r=100nm Kleine Öffnungswinkel Monoatomare Spitze/ Rundung Darf nicht verbiegen Hartes Material wie Diamant oder Siliziumverbindungen (Si,Si3N4,SiO2) Meistens Pyramidenförmig Durch Ätzprozesse mit Kalilauge Mechanische Rasterung Typische Rasterbereiche 10-100μm in x- und y-Richtung, 2-5μm in z-Richtung Piezomotoren sind technisch einfach handzuhaben, günstig und genau genug 40nm2 in 0,1nm Schritten in 1s Probleme: Bogenbewegung muss wegkalibriert werden Temperaturänderungen der Umgebung sorgen für eine Drift Zu langsames rastern Mechanische Rasterung Typische Rasterbereiche 10-100μm in x- und y-Richtung, 2-5μm in z-Richtung Piezomotoren sind technisch einfach handzuhaben, günstig und genau genug 40nm2 in 0,1nm Schritten in 1s Probleme: Bogenbewegung muss wegkalibriert werden Temperaturänderungen der Umgebung sorgen für eine Drift Zu langsames rastern Kraftdetektion Lichtzeigerprinzip wird am häufigsten verwendet Vermessung der Winkeländerung Kraftdetektion Lichtzeigerprinzip wird am häufigsten verwendet Vermessung der Winkeländerung Kapazitive Messmethode Vermessung der Kapazitätsänderung 1 1 C 0 A d d0 Prinzip des AFM http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/ 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) 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 Kurzreichweitige Kräfte Pauliabstoßung (Austauschwechselwirkung) „Kraft“, die auftritt, wenn Orbitale übereinander geschoben werden Grund: Elektronen mit gleichem Spin stoßen sich ab Potential: Kapillarkräfte Bei Messungen an Luft befindet sich Wasserdampf an der Luft 4R cos() F 1 D d Coulombkräfte Elektrostatische Aufladung kann die Probe zerstören F Q1Q2 4 0 r r 2 => Rastern an einer Flüssigkeitsumgebung vermindert dieses Kraft Betriebsmöglichkeiten des AFM contact mode noncontact mode tapping mode Betriebsmöglichkeiten des AFM contact mode noncontact mode tapping mode contact mode 1.Möglichkeit: Abstand konstant halten (ca.2,3Å) und abrastern 2.Möglichkeit: Verbiegung des Cantilevers konstant halten und abrastern contact mode 1.Möglichkeit: Abstand konstant halten (ca.2,3Å) und abrastern 2.Möglichkeit: Verbiegung des Cantilevers konstant halten und abrastern noncontact mode Abstand 10…100nm Bereich der Van der Waals WW. Auftretende Kräfte liegen im Bereich von 10-13N → nicht mehr messbar Cantilever wird zu einer Schwingung nahe der Resonanzfrequenz angeregt Unebenheiten sorgen für eine Änderung des Kraftgradientens →Resonanzverschiebung →Amplitudenänderung F' 2k tapping mode Spitze wird auf die Probe bei jeder Schwingung abgesetzt D.h. keine Reibungseinflüsse Auflösung ist schlechter als im contact und noncontact mode Aufnahmen vom AFM Aufnahmen vom AFM Aufnahmen vom AFM Aufnahmen vom AFM Dijodmethan-Tropfen unter Wasser Aufnahmen vom AFM Dijodmethan-Tropfen unter Wasser NiO mit Fremdatom Aufnahmen vom AFM Aufnahmen vom AFM Aufnahmen vom AFM Aufnahmen vom AFM Aufnahmen vom AFM Aufnahmen vom AFM 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 Referenzen [1] Binnig, G., H. Rohrer, C. Gerber und E. Weibel: Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy. Phys. Rev. Lett., 49:57, 1982. [2] Bai,C.: Scanning Tunneling Microscopy and ist Application. Springer Series in Surface Sciences 32 http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986 http://www.physik.uniregensburg.de/forschung/schwarz/Mikroskopie/11-AFM.pdf http://www.uni-bonn.de/~schmitzr/AFM.pdf http://www.physik.uni-augsburg.de/exp6/courses/fp20/fp20.pdf