Scanning-Force-Microscopy (SFM)deutsch: Raster-Kraft-Mikroskopie

Lehrstühle für Chemie an der Universität BayreuthKontakt: W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität, 95440 Bayreuth

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Die Scanning-Force-Microscopy wurde 1986 aus der Tunnelmikroskopie von G. Binnig, C.F. Quate und C. Gerber weiter entwickelt. Hier werden die Kräfte, die zwischen beliebigen Atomen wirken, gemessen. Der Nachteil der älteren Tunnelmikroskopie (STM), dass Spitze und Probe elektrisch leitend sein müssen, konnte aufgehoben werden. Nun ist diese leistungsfähige Mikroskopiertechnik auch z.B. auf Zellen und Gewebe anwendbar.

Besucher:q11 des Gymnasiums Neustadt, 02/10

G.Binnig C.F.Quate

Zur Messung der Kräfte dient eine Vorrichtung wie eine Blattfeder, an der eine Spitze angebracht ist. Die Spitze wird in so geringem Abstand über die Oberfläche geführt, dass die „Blattfeder“ durch die wirkenden Kräfte nach oben oder unten verbogen wird. Die Verformung ist so gering, dass sie nur über die Ablenkung eines Laserstrahls festgestellt werden kann. Die Bewegungen des Laserstrahls werden von einer geteilten Photodiode registriert. Dabei wird die Blattfeder nach oben oder unten nachgeführt und diese Nachführbewegung wird aufgezeichnet. Sie entspricht genau der Oberflächenbeschaffenheit der Probe.

Funktionsweise

Soll-Zustand: Die Blattfeder ist eingeregelt, beide Teile der Photodiode werden vom Laserstrahl getroffen. Die Probe wandert weiter.

Photodiode

Laserstrahl

„Blattfeder“ aus Quarzkristall

einatomige Sondenspitze

Oberfläche des Präparates

Abgelenkter Zustand: Die Blattfeder ist verbogen, nur ein Teil der Photodiode wird vom Laserstrahl getroffen. Die Position der Blattfeder wird so lange nachgeregelt, bis wieder beide Teile der Photodiode getroffen werden.

Photodiode

Laserstrahl

DNA-Fäden

Arachinsäure-Moleküle:man sieht einzelne C-Atome

Energie

Abstand

Van-der-Waals-Anziehung

Pauliabstoßung

Arbeitsbereich der Spitze

PrinzipJedes Atom in einem Molekül übt Kräfte auf andere Atome aus. Es gibt anziehende (Van-der-Waals-Anziehung) und abstoßende Kräfte (Pauliabstoßung). Die beiden Kräfte nehmen unterschiedlich schnell mit der Entfernung vom Atom ab. Genau in diesem Bereich arbeitet die Nadelspitze: Anziehung und Abstoßung werden registriert und ergeben ein Abbild der Oberfläche einer Probe. Arbeitsweisen:1. Non-contact-mode-Messung zeichnet die Van-der-Waals-Anziehung auf. Atome von Nadel und Probe

berühren sich nicht. Vorteil: weiche Proben werden nicht verändert.2. Contact-mode-Messung misst die Pauliabstoßung. Die Atome von Nadel und Probe berühren sich an

ihren Elektronenhüllen. Vorteil: bei harten Proben kann man feiner abbilden.3. Tapping mode: bliebt ist eine Mischung aus beiden. Dabei schwingt die Spitze schnell auf und ab.

Vorteil: bei gemischten Materialien lässt sich die Härte prüfen.

Die Spitze einer neuen Nadel aus Silicium von unten (helle Struktur!).

Die Silicium-Nadel hat die Probe berührt und Material abgekratzt.