Was ist ein Rastersondenmikroskop?
Ein Rastersondenmikroskop ist eines von mehreren Mikroskopen, die dreidimensionale Oberflächenbilder mit sehr hoher Detailgenauigkeit, einschließlich atomarer Skalierung, erzeugen. Abhängig von der verwendeten Mikroskopietechnik können einige dieser Mikroskope auch physikalische Eigenschaften eines Materials messen, darunter elektrischer Strom, Leitfähigkeit und Magnetfelder. Das erste Rastersondenmikroskop, das als Rastertunnelmikroskop (STM) bezeichnet wird, wurde in den frühen 1980er Jahren erfunden. Einige Jahre später gewannen die Erfinder des STM den Nobelpreis für Physik. Seitdem wurden mehrere andere Techniken erfunden, die auf denselben Grundprinzipien beruhen.
Bei allen Rastersondenmikroskopietechniken wird die Oberfläche des Materials mit einer kleinen, scharfen Spitze abgetastet, da die Daten digital vom Scan erfasst werden. Die Spitze der Abtastsonde muss kleiner sein als die Merkmale auf der abzutastenden Oberfläche, um ein genaues Bild zu erzeugen. Diese Spitzen müssen alle paar Tage ausgetauscht werden. Sie werden normalerweise auf Auslegern montiert, und bei vielen SPM-Techniken wird die Bewegung des Auslegers gemessen, um die Höhe der Oberfläche zu bestimmen.
Bei der Rastertunnelmikroskopie wird ein elektrischer Strom zwischen der Abtastspitze und der abzubildenden Oberfläche angelegt. Dieser Strom wird durch Einstellen der Höhe der Spitze konstant gehalten, wodurch ein topographisches Bild der Oberfläche erzeugt wird. Alternativ kann die Höhe der Spitze konstant gehalten werden, während der sich ändernde Strom gemessen wird, um die Höhe der Oberfläche zu bestimmen. Da dieses Verfahren elektrischen Strom verwendet, ist es nur auf Materialien anwendbar, die Leiter oder Halbleiter sind.
Verschiedene Arten von Rastersondenmikroskopen fallen unter die Kategorie der Rasterkraftmikroskopie (AFM). Im Gegensatz zur Rastertunnelmikroskopie kann AFM für alle Arten von Materialien verwendet werden, unabhängig von ihrer Leitfähigkeit. Alle AFM-Typen verwenden eine indirekte Messung der Kraft zwischen der Abtastspitze und der Oberfläche, um das Bild zu erzeugen. Dies wird üblicherweise durch eine Messung der Auslegerauslenkung erreicht. Die verschiedenen Arten von Rasterkraftmikroskopen umfassen Kontakt-AFM, kontaktloses AFM und intermittierendes Kontakt-AFM. Verschiedene Überlegungen bestimmen, welche Art von Rasterkraftmikroskopie für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, einschließlich der Empfindlichkeit des Materials und der Größe der abzutastenden Probe.
Es gibt einige Variationen der grundlegenden Arten der Rasterkraftmikroskopie. Lateralkraftmikroskopie (Lateral Force Microscopy, LFM) misst die Verdrehungskraft an der Abtastspitze, die zur Abbildung der Oberflächenreibung hilfreich ist. Mit der Rasterkapazitätsmikroskopie wird die Kapazität der Probe gemessen und gleichzeitig ein AFM-Topographiebild erstellt. Leitfähige Rasterkraftmikroskope (C-AFM) verwenden ähnlich wie STM eine leitfähige Spitze und erzeugen so ein topografisches AFM-Bild und eine Karte des elektrischen Stroms. Kraftmodulationsmikroskopie (FMM) wird verwendet, um die elastischen Eigenschaften eines Materials zu messen.
Es gibt auch andere Rastersondenmikroskoptechniken, um andere Eigenschaften als die dreidimensionale Oberfläche zu messen. Elektrostatische Kraftmikroskope (EFM) messen die elektrische Ladung auf einer Oberfläche. Diese werden manchmal zum Testen von Mikroprozessorchips verwendet. Die Rasterthermomikroskopie (SThM) sammelt Daten zur Wärmeleitfähigkeit sowie zur Kartierung der Oberflächentopographie. Magnetkraftmikroskope (MFM) messen das Magnetfeld auf der Oberfläche zusammen mit der Topographie.