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Technische Artikel

Ultrahochauflösende Rasterkraftmikroskopie

Gerald Pascual, Byong Kim, and Keibock Lee
Techniches Marketing, Park Systems Inc., Santa Clara, CA

 

Das Ziel aller Formen der Mikroskopie ist die Beobachtung von immer kleineren Objekten und deren Details und Eigenschaften, die nicht mit dem bloßen Auge beobachtet werden können. Der wissenschaftliche Fortschritt verlangt, dass wir stets die absoluten Grenzen der verfügbaren Messverfahren testen. Rasterkraftmikroskopie (RKM) ist da keine Ausnahme. Mittels RKM lassen sich Aufnahmen mit Probenfeatures im Nanometerbereich erstellen. Man spricht bei solchen Aufnahmen von "atomarer Auflösung". Trotz dieser Bezeichnung ist die Auflösung der Bilder nicht hoch genug, um einzelne Atome darzustellen. Vielmehr zeigen sie die Resonanz der Räume zwischen Atomen in Materialien mit atomar flachen Oberflächen [1, 2, 3], wie Grafit oder Glimmer. Die Oberflächen dieser Materialien sind in regelmäßigen Gittern mit konstanten Abständen, die nur einige zehntel Nanometer breit sind, die mit Sonden abgetastet werden können, die Spitzenradiuskrümmungen aufweisen, die um eine Größenordnung (2-5 nm) größer sind. Eine solche Spitze, die die Resonanz von Merkmalen, die kleiner als ihre Radiuskrümmung sind, registriert, kann mit einer offenen Handfläche, die über die Tasten auf einer Tastatur läuft, verglichen werden. Durch taktile Rückkopplung kann man ein ungefähres Abbild der Tastatur erstellen, würde aber große Schwierigkeiten haben, einzelne Tasten auszumachen. Moderne RKM-Systeme, einschließlich jener, die von Park Systems hergestellt werden, sind in der Lage, "atomare Auflösungsbilder" mit Merkmalen von nur wenigen Zehnteln eines Angströms zu erzeugen, wobei jedoch die Unterscheidung von Bildgebung durch Resonanz gegenüber Bildgebung allein von der Rückkopplungsantwort des Cantilevers gemacht werden muss. Solange die Sondenherstellung bis zu einem Punkt fortgeschritten ist, wo die Spitzenradiuskrümmung in der Größenordnung einzelner Atome liegt, müssen Innovationen in der ultrahochauflösenden Rasterkraftmikroskopie aus anderen Bereichen kommen.

Da die tatsächliche Auflösungsgrenze der RKM-Abbildung von der Geometrie der Sondenspitze abhängt, muss zur Aufrechterhaltung höchster Bildqualität die Abnutzung der Spitzen während und über mehrere Abtastungen hinweg gering gehalten werden. Im Kontaktmodus, der grundlegendsten RKM-Technik, wird die Sonde über die Oberfläche der Probe geführt. Aufgrund dieser Spitzen-Proben-Wechselwirkung spielt das Abstumpfen der Sonde eine große Rolle, da höhere Spitzenradiuskrümmungen zu einer verminderten räumlichen Auflösung und daher einer weniger genauen Abbildung führen. Ausgaben für ein umfangreiches Inventar von Kontaktmodus-Sonden sind für viele Laboratorien ein zusätzliches Problem. Zur Gewährleistung von höchster Auflösung über lange Zeit und einen kostengünstigen Betrieb sollten RKM-Bilder stattdessen im Non-Kontakt-Modus aufgenommen werden. Bei dieser Methode wird der Abstand einer oszillierenden Sonde von der Probenoberfläche während einer Abtastung durch eine präzise, schnelle Rückkopplungsschleife kontrolliert. Diese hochmoderne Elektronik, wie sie in der Systemarchitektur der NX-Serie von Park Systems [4] vorzufinden ist, hält die Sonde im berührungslosen Feld der Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Atomen ihrer Spitze und denen der Probe. Abweichungen der Amplitude der Sondenschwingung werden als Sondenspuren über die Probe aufgezeichnet und dann zur Erzeugung von Topografiebildern verwendet. Da die Spitze und die Sonde während des Scannens keinen direkten Kontakt haben, wird die Spitzenlebensdauer dramatisch erhöht ohne Verringerung der Auflösung über Dutzende von Scans [5].

Zum Nachweis der Wirksamkeit des berührungslosen Modus für Ultrahochauflösungs-RKM-Bilderzeugung erfordert eine herausfordernde Probe mit Merkmalen, die nur mit den kleinsten Krümmungen des Spitzenradius kommerziell erhältlicher RKM-Sonden erfasst werden können. Die Probe sollte auch von der Forschungsgemeinschaft als problematisch für konsistente, reproduzierbare Bildgebung im Nanometerbereich eingestuft werden. Die erhöhte Langlebigkeit der Sonde im Non-Kontakt Mode könnte so unter Beweis gestellt werden. Nanomaterialien mit Moirémustern erfüllen beide Kriterien. Dies sind sekundäre und visuell evidente Muster. Sie sind das Ergebnis periodischer Muster (wie Atomgitter), die überlagert und dann gedreht werden und so zu einem neuen, markanten und versetzten Design führen. Wiederholbare, hochauflösende Bilder von Moirémustern und die sie enthaltenden Super-Gitterkonstanten stellen erhebliche Herausforderungen dar, insbesondere wenn sie nicht im Non-Kontakt Modus durchgeführt werden, weil die zu erzielende Auflösung etwa die Größe der Krümmung des Spitzenradius ist. Jeglicher Verlust der Spitzenschärfe, wie häufig im Kontakt-Modus zu beobachten, würde zu einer verringerten Wiederholbarkeit der Datenerfassung führen. Selbst für erfahrene Benutzer ist eine große Herausforderung, jegliche Art von brauchbaren RKM-Bildern und -Daten, geschweige denn in ultrahoher Auflösung, zu erhalten. Hardwarebeschränkungen und konstante experimentelle Scanparameteroptimierung komplizieren die Aufgabe weiterhin. Die Abwesenheit der Abstumpfung der Spitzen wäre eine willkommene Verbesserung für diese Anwendung.

Mit einem Park NX10 Rasterkraftmikroskop wurden die ultra-hohe Auflösung sowie die Vorteile moderner Systemarchitektur und robuster Automatisierungssoftware wurden die Analyse von Graphen / hexagonalem Boronnitrid (hBN), unter Benutzung der Park SmartScan-Betriebssoftware, durchgeführt. Die Probe bestand aus einem mit einer Graphenschicht überlagerten hBN-Substrat und wurde unter Umgebungsluft abgetastet. Der Zweck der Untersuchung war es, die Fähigkeit des Park NX10 zu charakterisieren, die Topografie des Moirémusters darzustellen. Das Moirémuster entstand, durch die Überlagerung und Rotation von Schichten. Im Non-Kontakt Modus und mit einer Standard-RKM-Sondenspitze [6] konnte das Park NX10 die Moiré-Muster-Supergitterkonstante der Probe bei Scans bis zu 500 nm x 500 nm erfolgreich abbilden (siehe Abb. 1a). In einer zweiten Abtastung (siehe Abb. 1b), diesmal bei 250 nm × 250 nm, wurde ein isolierter Probendefekt im oberen linken Quadranten des anfänglichen 500 nm × 500 nm-Scans untersucht. Das Supergittermuster um den Defekt im Zentrum ist jetzt noch deutlicher zu sehen als vorher.

RKM leistet in der Forschung und in der Industrie mit hochauflösenden Bildern und Messungen im Nanometerbereich wertvolle Dienste, allerdings mit einer relativ langsamen Bildgebungsgeschwindigkeit. Für bestimmte Anwendungen wie Kristallkeimbildung und -wachstum, Materialtransport und Protein-Selbstorganisation [1-3] ist es wichtig, die topografischen Veränderungen und den Partikeltransport zu verfolgen. Für solche Untersuchungen sollte ein Rasterkraftmikroskop in der Lage sein, so schnell als möglich abzubilden, ohne die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit einzuschränken. Um diese Herausforderung zu meistern, haben sich die Ingenieure von Park Systems bemüht, die Rasterrate ihrer Rasterkraftmikroskope zu erhöhen, ohne Verlust an Auflösung und Genauigkeit und die Notwendigkeit von kostspieligem Zubehör.

Heute können Rasterkraftmikroskope der NX-Serie mit Hochfrequenz-Cantilevern Abbildungen mit der erwarteten hohen Auflösung erzeugen, mit einer im Vergleich zu herkömmlichen Systemen signifikant erhöhten Abtastrate. Alle Rasterkraftmikroskope der NX Baureihe sind für schnelle Z-Scanner-Rückkopplungsgeschwindigkeit und optimierte Z-Servosteuerung ausgelegt, sodass nur ein Ultrahochfrequenz-Cantilever für die Hochgeschwindigkeits-RKM-Bildgebung benötigt wird. Park's Fast Imaging ist die optimierte Lösung für die schnelle RKM-Bilderzeugung. Dies ermöglicht Forschern die schnelle und genaue Abbildung von Probenoberflächen mit einem weiten Spektrum an Merkmalshöhen von 1-10 Nanometern.

 

161223-afm-image-grapheneAbbildung 1. Eine Serie von vier RKM-Topographiebildern einer Graphenprobe mit Moiré-Mustern im Non-Kontakt Modus: (a) bei 500 nm x 500 nm, (b) bei 250 nm x 250 nm, (c) bei 125 nm x 125 nm und ( D) bei 60 nm x 60 nm. Alle Bilder wurden mit einem Park NX10 Rasterkraftmikroskop im Auto-Modus der Park SmartScan-Software aufgenommen.

 

Die letzten beiden Scans in der Serie dienen als der zwingendste Beweis für die Fähigkeit des Park NX10, seine ultra-hohe Auflösung auch nach mehreren Scans mit der gleichen RKM-Spitze beizubehalten. In Abb. 1c werden die diagonalen Streifen, die dem Moirémuster überlagert sind und sich über die Probenoberfläche wiederholen, offensichtlich. Das letzte Bild in der Serie, Abbildung 1d, wurde bei einer Scangröße von 60 nm x 60 nm aufgenommen und liefert den deutlichsten Beweis, dass nicht nur die Supergitterkonstanten des Moirémusters etwa 15 nm [7] breit sind, sondern auch die Abstände zwischen den einzelnen Streifen auf dem Moirémuster etwa 4-5 nm betragen. Beobachtungen solcher Streifen in Graphen / hBN-Systemen wurden bereits berichtet [8]. Dieser letztere Abstand steht im Einklang mit den erwarteten Spitzenradiuskrümmungswerten für die RKM-Spitze, die zur Erfassung aller vier Datensätze verwendet wurde. Diese Leistung ist, angesichts der Konsistenz und Klarheit der Daten, wirklich bemerkenswert, insbesondere wenn man die starke Vergrößerung und die allgemein akzeptierte Problematik der Probe in Betracht zieht. Zudem gilt es zu bedenken, dass eine Auflösung im Bereich von 5 Nanometern von einem unerfahrenen Anwender unter Leitung der Automatisierungssoftware erreicht wurde. Diese Vorteile des Non-Kontakt Modus für die Ultra-Hochauflösungs-RKM-Bildgebung werden in der Zukunft von noch größerer Bedeutung, wenn die Spitzenradiuskrümmungen abnehmen und Abstumpfungseffekte deutlicher werden. In der Zukunft können noch kleinere Merkmale unserer Proben charakterisieren.

 

Danksagung

Wir danken Patrick Gallagher von der Stanford University für die Bereitstellung der Graphen / hBN-Probe, die verwendet wurde, um die in diesem Bericht präsentierten Bilder zu erwerben.

 

REFERENCES

[1] Park, S. Ultimate Resolution of AFM in Air. Retrieved from https://drive.google.com/open?id=0BxAebzniH1MvWjQyWkFXUTlHanM (2004).
[2] Mizes, H., Park, S., & Harrison, W. Phys. Rev. B 36 4491 (1987).
[3] Albrecht, T.A., Mizes, H.A., Nogami, J., et al. App. Phys. Lett. 52, 362 (1988)
[4] Park NX10 – Technical Info. Retrieved from http://www.parkafm.com/index.php/products/research-afm/park-nx10/technical-info (2016)
[5] True Non-Contact™ Mode. Retrieved from http://www.parkafm.com/index.php/park-spm-modes/91-standard-imaging-mode/217-true-non-contact-mode (2016)
[6] AFM tips PPP-NCHR. Retrieved from http://www.nanosensors.com/PointProbe-Plus-Non-Contact-Tapping-Mode-High-Resonance-Frequency-Reflex-Coating-afm-tip-PPP-NCHR (2016)
[7] Zandiatashbar, A. Automated Non-Destructive Imaging and Characterization of Graphene/hBN Moiré Pattern with Non-Contact Mode AFM. NanoScientific, Fall 2015 14-17 (2015)
[8] Gallagher, P., Lee, M., Amet, F., et.al. Nature Comm. 7 10745 (2016)