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2.6 Rasterkraftmikroskopie
2 Charakterisierungsmethoden
Die Rasterkraftmikroskopie RKM (Atomic Force Microscopy AFM) ist eine in den 80er
Jahren von Binning, Gerber und Quate [55] entwickelte mikroskopische Meßmethode
zur Untersuchung von Oberflächentopologien und Oberflächenstrukturen im Nanound
Mikrometerbereich. Neben der hohen räumlichen Auflösung besteht der
besondere Vorteil der AFM in der Tatsache, daß im Gegensatz zur
Rastertunnelmikroskopie STM auch nichtleitende Substanzen untersucht werden
können [56].
Abbildung 2.3 zeigt den schematischen Aufbau eines AFM. Prinzipiell unterscheidet
man zwischen Kontakt- und Nicht-Kontakt-Meßmodi. Die zu untersuchende Probe
befindet sich auf einer piezoelektrischen Positioniereinheit, die durch Anlegen von
elektrischer Spannung die Bewegung der Probe in alle drei Raumrichtungen
ausführt. Darüber befindet sich eine „atomare“ Spitze (aus Si oder Si3N4), die so
nahe an die Probenoberfläche herangeführt wird, daß die van-der-Waals-
Anziehungskräfte 10 -7 – 10 -9 N betragen. Um laterale atomare Auflösung zu
erreichen, nähert man noch weiter an, bis abstoßende Kräfte wirksam werden. Die
Spitze ist an einer geneigten winzigen Blattfeder aus Si3N4 befestigt. Die direkte
Meßgröße ist die Auslenkung der Feder, die auf unterschiedliche Weise bestimmt
werden kann. Häufig wird eine optische Methode verwendet, bei der ein fokussierter
Laserstrahl auf der vergoldeten Rückseite der Feder reflektiert wird und mit einer
segmentierten Photodiode detektiert wird [57]. Die Oberflächenstruktur wird ermittelt,
indem die Probe mit Hilfe der Positioniereinheit linienweise in der xy-Ebene
abgerastert wird [56].
Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen Kontakt-Modus besteht bei Messungen
im „tapping“-Modus kein ständiger Kontakt zwischen Spitze und Probe. Die Spitze
schwingt vielmehr in der Nähe der Resonanzfrequenz der Feder über der Probe.
Registriert werden Störungen der Schwingungsfrequenz, die zu einer
Amplitudenveränderung und Phasenverschiebung des von der Photodiode
detektierten sinusförmigen Signals führen. Aus der Amplitudenveränderung erhält
man Informationen über die Topologie der Probe, während die Phasenverschiebung
Aussagen über die elastischen Eigenschaften der Probe erlaubt, da diese umso
stärker ist, je weicher das untersuchte Material und je stärker eine adhäsive
Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe ist.