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Inhaltsverzeichnis1. Motivation
2. Entwickler des AFM
3. Aufbau des AFM
3.1 Spitze und Cantilever
3.2 Mechanische Rasterung
3.3 Optische Detektion
4. Prinzip des AFM
4.1 Van der Waals Kraft
4.2 Kurzreichweitige Kräfte
4.3 Kappilarkräfte
4.4 Coulombkräfte
5. Betriebsmöglichkeiten des AFM
5.1 contact Mode
5.2 noncontact mode
5.3 tapping mode
6. Aufnahmen vom AFM
7. Zusammenfassung
8. Referenzen
Motivation
Mit dem STM war es erstmals möglich, Oberflächen im Ortsraum mit atomarer Auflösung abzubilden.
Aber! Nur bei elektrisch leitfähige Oberflächen.
Entwickler des AFM
Wegbereiter STM wurde 1982 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer in IBM Zürich Research Laboratory entwickelt
1986 gab es dafür den Nobel-Preis
Im selben Jahr entwickeln Gerd Binning, Calvin Quate und Christoph Gerber das AFM
Entwickler des AFM
Wegbereiter STM wurde 1982 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer in IBM Zürich Research Laboratory entwickelt
1986 gab es dafür den Nobel-Preis
Im selben Jahr entwickeln Gerd Binning, Calvin Quate und Christoph Gerber das AFM
Spitze und Cantilever
Cantilever wird physikalisch wie eine Feder behandelt, d.h.
Weiche Federkonstante
Hohe Resonanzfrequenz (ω=10…100kHz)
Thermisches Rauschen soll die Cantilever-verbiegung nicht ändern
=> k≈0,1…1 N/m bzw. 10 N/m
Länge L=100μm, Breite B=10μm, Dicke d=1μm
Spitze und Cantilever
Cantilever wird physikalisch wie eine Feder behandelt, d.h.
Weiche Federkonstante
Hohe Resonanzfrequenz (ω=10…100kHz)
Thermisches Rauschen soll die Cantilever-verbiegung nicht ändern
=> k≈0,1…1 N/m bzw. 10 N/m
Länge L=100μm, Breite B=10μm, Dicke d=1μm
Spitze und Cantilever
Federkonstante k:
Eigenfrequenz
E
L
tf
20 162,0
Rechteckiger Cantilever
Zylindrischer Cantilever
V-Form Cantilever Numerische Berechnung
3
3
4 l
wtEk
3
4
4
3
l
rEk
Spitze und Cantilever
Radius der Spitzenendung r=100nm
Kleine Öffnungswinkel
Monoatomare Spitze/ Rundung
Darf nicht verbiegen
Hartes Material wie Diamant oder Siliziumverbindungen (Si,Si3N4,SiO2)
Meistens Pyramidenförmig
Durch Ätzprozesse mit Kalilauge
Spitze und Cantilever
Radius der Spitzenendung r=100nm
Kleine Öffnungswinkel
Monoatomare Spitze/ Rundung
Darf nicht verbiegen
Hartes Material wie Diamant oder Siliziumverbindungen (Si,Si3N4,SiO2)
Meistens Pyramidenförmig
Durch Ätzprozesse mit Kalilauge
Spitze und Cantilever
Radius der Spitzenendung r=100nm
Kleine Öffnungswinkel
Monoatomare Spitze/ Rundung
Darf nicht verbiegen
Hartes Material wie Diamant oder Siliziumverbindungen (Si,Si3N4,SiO2)
Meistens Pyramidenförmig
Durch Ätzprozesse mit Kalilauge
Mechanische Rasterung
Typische Rasterbereiche 10-100μm in x-und y-Richtung, 2-5μm in z-Richtung
Piezomotoren sind technisch einfach handzuhaben, günstig und genau genug
40nm2 in 0,1nm Schritten in 1s
Probleme:
Bogenbewegung muss wegkalibriert werden
Temperaturänderungen der Umgebung sorgen für eine Drift
Zu langsames rastern
Mechanische Rasterung
Typische Rasterbereiche 10-100μm in x-und y-Richtung, 2-5μm in z-Richtung
Piezomotoren sind technisch einfach handzuhaben, günstig und genau genug
40nm2 in 0,1nm Schritten in 1s
Probleme:
Bogenbewegung muss wegkalibriert werden
Temperaturänderungen der Umgebung sorgen für eine Drift
Zu langsames rastern
Kraftdetektion
Lichtzeigerprinzip wird am häufigsten verwendet
Vermessung der Winkeländerung
Kapazitive Messmethode
Vermessung der Kapazitätsänderung
0
0
11
ddAC
Prinzip des AFM
http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/
Van der Waals Kraft
Treten bei einem Abstand von <4Å auf
3 Teilkräfte:
WW zwischen permanenten Dipol (Orientierungskräfte)
WW zwischen neutralen Atom (Induktionskräfte)
WW zwischen zwei Neutralen Atomen (Dispersionskräfte)
Van der Waals Kraft
Treten bei einem Abstand von <4Å auf
3 Teilkräfte:
WW zwischen permanenten Dipol (Orientierungskräfte)
WW zwischen neutralen Atom (Induktionskräfte)
WW zwischen zwei Neutralen Atomen (Dispersionskräfte)
Potential:
Lennard-Jones
Kurzreichweitige Kräfte
Pauliabstoßung (Austauschwechselwirkung)
„Kraft“, die auftritt, wenn Orbitale übereinander geschoben werden
Grund: Elektronen mit gleichem Spin stoßen sich ab
Potential:
Coulombkräfte
Elektrostatische Aufladung kann die Probe zerstören
=> Rastern an einer Flüssigkeitsumgebungvermindert dieses Kraft
2
0
21
4 r
QQF
r
contact mode
1.Möglichkeit: Abstand konstant halten (ca.2,3Å) und abrastern
2.Möglichkeit: Verbiegung des Cantilevers konstant halten und abrastern
contact mode
1.Möglichkeit: Abstand konstant halten (ca.2,3Å) und abrastern
2.Möglichkeit: Verbiegung des Cantilevers konstant halten und abrastern
noncontact mode
Abstand 10…100nm
Bereich der Van der Waals WW.
Auftretende Kräfte liegen im Bereich von 10-13N → nicht mehr messbar
Cantilever wird zu einer Schwingung nahe der Resonanzfrequenz angeregt
Unebenheiten sorgen für eine Änderung des Kraftgradientens →Resonanzverschiebung →Amplitudenänderung
k
F
2
'
tapping mode
Spitze wird auf die Probe bei jeder Schwingung abgesetzt
D.h. keine Reibungseinflüsse
Auflösung ist schlechter als im contactund noncontact mode
Zusammenfassung
Vorteile des AFM
Messungen an Luft und in Flüssigkeiten
Informationen über physikalische Größen auf atomarer Skala
Untersuchung nichtleitender Materialien
Anwendungsgebiet: Vermessung kleiner Strukturen im Nanometerbereich oder Charakterisierung von Oberflächen
Referenzen
[1] Binnig, G., H. Rohrer, C. Gerber und E. Weibel: Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy. Phys. Rev. Lett., 49:57, 1982.
[2] Bai,C.: Scanning Tunneling Microscopy and ist Application. Springer Series in Surface Sciences 32
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986
http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/schwarz/Mikroskopie/11-AFM.pdf
http://www.uni-bonn.de/~schmitzr/AFM.pdf
http://www.physik.uni-augsburg.de/exp6/courses/fp20/fp20.pdf