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Einführung in AFM

Rasterkraftmikroskopie ist die wohl vielseitigste und leistungsfähigste mikroskopische Technik für die Untersuchung von Proben im Nanometerbereich. Sie ist vielseitig, da ein Rasterkraftmikroskop nicht nur die dreidimensionale Topografie abbildet, sondern auch weitere Oberflächenmessungen je nach Bedarf von Wissenschaftlern und Ingenieuren anbietet. Sie ist leistungsstark, da ein Rasterkraftmikroskop Bilder mit atomarer Auflösung von Features im Angströmbereich bei minimaler Probenvorbereitung generieren kann.

Wie funktioniert ein Rasterkraftmikroskop? Auf dieser Seite zeigen wir Ihnen mit einer leicht verständlichen Videoanimation die Prinzipien eines Rasterkraftmikroskops. Erzählen Sie Ihren Kollegen von dieser Seite und schicken Sie uns eine E-Mail, wenn Sie irgendwelche Fragen haben.


Die Nanowelt
Nano kommt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie “Zwerg”. Die Vorsilbe Nano entspricht einem Faktor von 10-9. Ein Nanometer ist ein milliardstel Meter. Im Bereich von Nanometern treten intermolekulare Kräfte und Quanteneffekte auf. Um ein besseres Gefühl für die Nanoskala zu bekommen, stellen Sie sich die Größe eines Atoms im Verhältnis zu einem Apfel vor, das gleiche Verhältnis wie ein Apfel im Vergleich zur Erde! Das Rasterkraftmikroskop (RKM) erlaubt uns einen Blick in die Nanowelt.

Das RKM-Messprinzip
- Oberflächenmessung
Das Rasterkraftmikroskop benutzt eine Blattfeder, auch Cantilever genannt, mit einer sehr feinen Nadel, die zeilenweise über die Probenoberfläche rastert. Wenn die Spitze der Nadel in die Nähe der Probenoberfläche kommt, treten Anziehungskräfte auf, die zu einer Ablenkung der Blattfeder in Richtung Probe führen. Wird die Spitze in noch größere Nähe mit der Probenoberfläche gebracht, dann treten Abstoßungskräfte auf, die zu einer Ablenkung der Blattfeder weg von der Oberfläche führen.

- Messmethode
Mittels Laserstrahl lassen sich die Ablenkungen des elastischen Hebelarms messen. Richte man einen Laserstrahl auf die ebene Oberfläche der Blattfeder, so führt jede Ablenkung der Blattfeder zu einem veränderten Ausfallswinkel des reflektierten Lichts. Mit einer Positions-sensitiven Fotodiode (PSPD) lassen sich diese Veränderungen aufzeichnen. Wenn die RKM-Spitze über eine Erhebung in der Probenoberfläche gleitet, dann wird die Ablenkung der Blattfeder (und damit der veränderte Ausfallswinkel) von der Fotodiode registriert.

- Bildgebung
Das Rasterkraftmikroskop bildet die Topografie einer Probenoberfläche durch das Scannen der Cantilever-Messnadel über einem Probenbereich von Interesse ab. Vertiefungen und Erhebungen in der Probenoberfläche führen zur Ablenkung der Blattfeder, die mittels einer Fotodiode registriert wird. Die Kontrolle des Abstands zwischen Nadelspitze und Probenoberfläche (bei einer konstanten Laserposition) erlaubt dem Rasterkraftmikroskop mithilfe einer Rückkopplungsschleife die genaue Abbildung der Oberflächenstruktur der Probe.