Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

Methoden
Abbildung 1:
M28: Rasterkraftmikroskopie (AFM)
M28: Rasterkraftmikroskopie
(AFM)
Die Rasterkraftmikroskopie gehört zur Familie
der Rastersondenmikroskopien, bei denen – wie es
die beiden ersten Teile des Namens verdeutlichen
– eine feine Sonde in sehr kleinen Schritten über
eine Oberfläche gerastert wird. Im Gegensatz zu der
zunächst entwickelten Rastertunnelmikroskopie,
deren Einsatz auf leitende bzw. halbleitende Oberflächen
beschränkt ist, kann die 1986 entwickelte
Rasterkraftmikroskopie (englisch: Atomic Force
Microscopy, AFM) auch auf isolierende Oberflächen
angewendet werden. In Abb. 1 ist das Messprinzip
illustriert. Die Sonde, z.B. eine Pyramidenspitze,
befindet sich an einem filigranen Biegebalken, der
im einfachsten Falle die Sonde auf die Oberfläche
drückt. Die Änderung der Balkenverbiegung, die
mittels Lichtzeigermethode detektiert werden kann,
gibt Auskunft über Höhenunterschiede zwischen
benachbarten Punkten auf der Oberfläche. Das
Messprinzip der Rasterkraftmikroskopie:
Der Laserstrahl wird von dem
Biegebalken auf eine positionsempfindliche
Photodiode reflektiert. Der Piezoscanner
rastert die Probe lateral (x,y)
und verschiebt die Probe in z-Richtung
so, dass immer die gleiche Durchbiegung
des Biegebalkens gewährleistet
Herzstück eines jeden Rastersondenmikroskops ist
der piezoelektrische Scanner, der durch Anlegen
einer elektrischen Spannung eine Längenänderung
erfährt. Damit wird eine definierte Relativbewegung
Sonde – Probenoberfläche bis hin zu Abständen
unterhalb eines Nanometers möglich.
Die laterale Auflösung der Methode wird wesentlich
durch die Geometrie der Sonde bestimmt.
Die entscheidenden Parameter sind der Radius der
Spitze und der halbe Öffnungswinkel (Abb. 2a). Je
kleiner beide Größen sind, desto weniger verfälscht
die endliche Ausdehnung der Sonde die gemessene
Oberflächentopographie. Zur Verbesserung
der Auflösung wird auf herkömmlichen Si-Sonden
(r ≈ 10 – 20 nm, α = 10°) eine Kohlenstoffnadel
mit r ≤ 5 nm und a ≤ 5° gewachsen (Abb. 2b). Wie
man leicht sieht, wäre eine lineare Kette von Atomen
die ideale Sonde. Mit den 1992 entdeckten
einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen lässt sich
der Idealzustand zumindest hinsichtlich des Öffnungswinkels
bereits erzielen (Abb. 2c).
Abbildung 2:
(a) Geometrie-Parameter einer AFM-
Sonde: Spitzenradius r und halber
Öffnungswinkel α. (b) Konventionelle
Si-Spitze (r ≈10 – 20 nm, α = 10°), auf
der eine Kohlenstoffnadel mit r = 5 nm
und α = 5° gewachsen wurde. (c) Modell
eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens,
r = 2 nm, α = 0°.
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