Was ist ein Atomic Force Microscope (AFM)?
Ein Rasterkraftmikroskop (AFM) ist ein äußerst präzises Mikroskop, das eine Probe durch schnelles Bewegen einer Sonde mit einer nanometergroßen Spitze über die Oberfläche abbildet. Dies ist ganz anders als bei einem optischen Mikroskop, das reflektiertes Licht zur Abbildung einer Probe verwendet. Eine AFM-Sonde bietet einen viel höheren Auflösungsgrad als ein optisches Mikroskop, da die Größe der Sonde viel kleiner ist als die feinste Wellenlänge des sichtbaren Lichts. In einem Ultrahochvakuum kann ein Rasterkraftmikroskop einzelne Atome abbilden. Seine extrem hohen Auflösungsfähigkeiten haben das AFM bei Forschern auf dem Gebiet der Nanotechnologie beliebt gemacht.
Im Gegensatz zum Rastertunnelmikroskop (STM), das eine Oberfläche indirekt durch Messen des Quantentunnels zwischen Sonde und Probe abbildet, hat die Sonde in einem Rasterkraftmikroskop entweder direkten Kontakt mit der Oberfläche oder misst die beginnende chemische Bindung zwischen Sonde und Probe .
Das AFM verwendet einen mikroskaligen Cantilever mit einer Sondenspitze, deren Größe in Nanometern gemessen wird. Ein AFM arbeitet in einem von zwei Modi: Kontaktmodus (statisch) und dynamischer Modus (oszillierend). Im statischen Modus wird die Sonde stillgehalten, während sie im dynamischen Modus oszilliert. Wenn das AFM in die Nähe der Oberfläche gebracht wird oder diese berührt, wird der Cantilever ausgelenkt. Auf dem Ausleger befindet sich normalerweise ein Spiegel, der einen Laser reflektiert. Der Laser reflektiert auf eine Fotodiode, die ihre Auslenkung genau misst. Wenn sich die Oszillation oder Position der AFM-Spitze ändert, wird sie in der Fotodiode registriert und ein Bild aufgebaut. Manchmal werden exotischere Alternativen verwendet, wie optische Interferometrie, kapazitive Abtastung oder piezoresistive (elektromechanische) Sondenspitzen.
Unter einem Rasterkraftmikroskop sehen einzelne Atome wie Fuzzy-Blobs in einer Matrix aus. Um diesen Auflösungsgrad zu erreichen, sind ein Ultrahochvakuum und ein sehr steifer Ausleger erforderlich, der verhindert, dass er im Nahbereich an der Oberfläche haftet. Der Nachteil eines steifen Auslegers besteht darin, dass genauere Sensoren zur Messung des Auslenkungsgrades erforderlich sind.
Rastertunnelmikroskope, eine weitere beliebte Klasse von Hochpräzisionsmikroskopen, haben normalerweise eine bessere Auflösung als AFMs. Ein Vorteil von AFMs besteht jedoch darin, dass sie in einer flüssigen oder gasförmigen Umgebung verwendet werden können, während ein STM im Hochvakuum betrieben werden muss. Dies ermöglicht die Abbildung von feuchten Proben, insbesondere von biologischem Gewebe. Bei Verwendung im Ultrahochvakuum und mit einem steifen Ausleger hat ein Rasterkraftmikroskop eine ähnliche Auflösung wie ein STM.