Techniklexikon

Rasterkraftmikroskopie

Laboratoriumsmethoden und -geräte, AFM, Atomic Force Microscopy, höchstauflösendes mikroskopisches Nahfeldverfahren. Im Gegensatz zur Rastertunnelmikroskopie ist die Rasterkraftmikroskopie nicht auf leitende Untersuchungsobjekte begrenzt. Die AFM beruht im wesentlichen auf der Messung von Kräften zwischen einer Messspitze und der Probe. Im Gegensatz zu kommerziell erhältlichen Profilometern, die Kräfte bis zu 10^-4 N messen können, geht der Messbereich in der Rasterkraftmikroskopie bis unterhalb von 10^-13 N. Kräfte zwischen Spitze (Kantilever) und Probe können durch eine Vielzahl von Wechselwirkungen vermittelt werden. Wenn keine externen Einflüsse ins Spiel kommen, sind die Kräfte durch die Interaktionspotentiale zwischen den Atomen der Rasterspitze und der Probe bestimmt. Die Interaktion zwischen zwei Atomen kann durch das Lennard-Jones-Potential angenähert werden:

wobei d der Abstand der beiden Atome und c_{1 / 2} Konstanten sind.

Prinzipiell wird zwischen Kontaktkräften und Nicht-Kontaktkräften unterschieden. Kontaktkräfte sind abstossend, treten auf bei sehr geringen Abständen zwischen Spitze und Probe und sind erklärbar auf der Basis des Pauli-Prinzips bzw. der ionischen Abstossung und wird im Lennard-Jones-Potential durch den Term 1 / d¹² beschrieben. Die Abstossung tritt auf, wenn sich Atome auf weniger als 2 Å annähern. Es kommt dann zu einer Überlappung der Elektronenaufenthaltsbereiche, was auf Grund des Pauli-Prinzips zu einem starken Anstieg der abstossenden Kraft führt. In diesem Modus wird wegen des gringen Abstandes zur Probenoberfläche die höchste lateral Auflösung erreicht. Eine der wesentlichen Nicht-Kontaktkräfte ist die Van-der-Waals-Kraft. Repulsive Kontaktkräfte und attraktive Nicht-Kontaktkräfte unterscheiden sich meist um Grössenordnungen. Die stark repulsiven Kontaktkräfte werden im allgemeinen über Deflexionssignale des Kantilevers gemessen. Dazu wird ein Laserstrahl auf die Oberseite des Kantilevers gelenkt und der reflektierte Strahl in einer Photodiode nachgewiesen. Je nach Stärke der Kraft wird der Kantilever entsprechend seiner Federkonstanten mehr oder weniger stark ausgelenkt. Das Deflexionssignal in der Photodiode wird sich deshalb verändern. Die sehr viel geringeren Van-der-Waals-Kräfte, die bis in den Bereich 10^-13 N reichen können, werden im allgemeinen über eine Veränderung von Resonanzfrequenzen gemessen. Die Resonanzfrequenz w₀ ist gegeben durch  (k: Federkonstante, m_eff: effektive Masse des schwingenden Kantilevers). In einem Kraftfeld verändert sich die Federkonstante entsprechend , wobei  der Kraftgradient ist.