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
3E 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
4R 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