Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

MethodenAbbildung 1:M28: Rasterkraftmikroskopie (AFM)M28: Rasterkraftmikroskopie(AFM)Die Rasterkraftmikroskopie gehört zur Familieder Rastersondenmikroskopien, bei denen – wie esdie beiden ersten Teile des Namens verdeutlichen– eine feine Sonde in sehr kleinen Schritten übereine Oberfläche gerastert wird. Im Gegensatz zu derzunächst entwickelten Rastertunnelmikroskopie,deren Einsatz auf leitende bzw. halbleitende Oberflächenbeschränkt ist, kann die 1986 entwickelteRasterkraftmikroskopie (englisch: Atomic ForceMicroscopy, AFM) auch auf isolierende Oberflächenangewendet werden. In Abb. 1 ist das Messprinzipillustriert. Die Sonde, z.B. eine Pyramidenspitze,befindet sich an einem filigranen Biegebalken, derim einfachsten Falle die Sonde auf die Oberflächedrückt. Die Änderung der Balkenverbiegung, diemittels Lichtzeigermethode detektiert werden kann,gibt Auskunft über Höhenunterschiede zwischenbenachbarten Punkten auf der Oberfläche. DasMessprinzip der Rasterkraftmikroskopie:Der Laserstrahl wird von demBiegebalken auf eine positionsempfindlichePhotodiode reflektiert. Der Piezoscannerrastert die Probe lateral (x,y)und verschiebt die Probe in z-Richtungso, dass immer die gleiche Durchbiegungdes Biegebalkens gewährleistetHerzstück eines jeden Rastersondenmikroskops istder piezoelektrische Scanner, der durch Anlegeneiner elektrischen Spannung eine Längenänderungerfährt. Damit wird eine definierte RelativbewegungSonde – Probenoberfläche bis hin zu Abständenunterhalb eines Nanometers möglich.Die laterale Auflösung der Methode wird wesentlichdurch die Geometrie der Sonde bestimmt.Die entscheidenden Parameter sind der Radius derSpitze und der halbe Öffnungswinkel (Abb. 2a). Jekleiner beide Größen sind, desto weniger verfälschtdie endliche Ausdehnung der Sonde die gemesseneOberflächentopographie. Zur Verbesserungder Auflösung wird auf herkömmlichen Si-Sonden(r ≈ 10 – 20 nm, α = 10°) eine Kohlenstoffnadelmit r ≤ 5 nm und a ≤ 5° gewachsen (Abb. 2b). Wieman leicht sieht, wäre eine lineare Kette von Atomendie ideale Sonde. Mit den 1992 entdeckteneinwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen lässt sichder Idealzustand zumindest hinsichtlich des Öffnungswinkelsbereits erzielen (Abb. 2c).Abbildung 2:(a) Geometrie-Parameter einer AFM-Sonde: Spitzenradius r und halberÖffnungswinkel α. (b) KonventionelleSi-Spitze (r ≈10 – 20 nm, α = 10°), aufder eine Kohlenstoffnadel mit r = 5 nmund α = 5° gewachsen wurde. (c) Modelleines Kohlenstoff-Nanoröhrchens,r = 2 nm, α = 0°.Index Kontakte Institute Lösungen MethodenHandbuch der Nanoanalytik Steiermark 200573