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Rastersondenmikroskopie - Wie ertastet man Atome und Moleküle auf einer Oberfläche?

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Bei der Rasterkraftmikroskopie (AFM = atomic force microscopy) nutzt man eine sehr sehr feine Spitze, mit der man die Oberfläche abrastert. Die Spitze (tip) hängt an einem Hebel (cantilever) ein Laser vermisst die Position dieses Hebels und nach dem Abrastern der Oberfläche wird dieses Positions-Signal zu einem Bild zusammengesetzt. Moderne Rasterkraftmikroskope sind so klein, dass sie problemlos mit einem optischen Mikroskop kombiniert werden können. Ein Vorteil der Rasterkraftmikroskopie
ist, dass diese Methode z.B. an Luft arbeiten kann. Man benötigt kein Ultrahochvakuum, sondern man kann in den verschiedensten Medien arbeiten. Die Methode ist universell anwendbar.
Einer der wichtigsten Bestandteile des
AFM ist die Abtastspitze. Entscheidend für die Auflösung des Rasterkraftmikroskops ist der Radius der Spitze, der z.B. im Nanometerbereich liegen kann. Diese AFM-Aufnahme zeigt Latex-Partikel auf einer Polypropylen-Trägerfolie. Wir
erkennen die rundliche Form dieser Partikel. Die z-Auflösung liegt im Nanometerbereich, während die x- und
y-Auflösung im Mikrometerbereich liegt. Diese REM-Aufnahme zeigt einen optischen Datenträger (CD); Pits (Vertiefung) und Lands sind unterschiedlich eingefärbt. Wenn eine AFM-Spitze entlang dieser Linie bewegt wird, kann das Tiefenprofil der CD vermessen werden. (um zum Beispiel die Güte des Produktionsprozesses zu kontrollieren)
Die Auflösung eines AFM geht bis in den atomaren Maßstab; wir können damit quasi "Moleküle sehen" oder besser: Moleküle ertasten. Wir können Makromoleküle auf einem Substrat vermessen; bei pH 3,89 liegen die Moleküle etwas gestreckt
vor; bei Veränderung des pH-Wertes bildet sich eine Knäuel-Struktur. Diese Grafik zeigt Pentacen, wie man es auch aus dem Molekül-Baukasten kennt. Das AFM-Bild eines Pentacen-Moleküls
sieht tatsächlich aus wie unser Modell Für derartige hochauflösende AFM-Aufnahmen muss man die Spitze chemisch modifizieren . Man absorbiert gewisse Sonden-Moleküle an die Spitze, so dass diese sensibilisiert wird z.B. für Elektronendichte oder Aciditäten. Wir nutzen dann kein Raster-Kraft-Mikroskop,
sondern ein Raster-Elektronendichte-Mikroskop oder ein Raster-Aciditäts-Mikroskop. Wir können verschiedenste Eigenschaften auf molekularer Ebene entlang einer Oberfläche abrastern. Die AFM-Spitze kann auch modifiziert werden, um Lithographie zu betreiben;
wir können mit dieser Spitze Strukturen in Oberflächen hinein ätzen, (zum Beispiel, indem wir die Spitze beheizen) Auf diese Art und Weise entstand dieser "Nanoberg", der in ein Polymer Material gebrannt wurde. Eine weitere Größe, die wir mit der Raster-Sonden-Technik vermessen können, ist die Austrittsarbeit, eine elektrische Größe, die z.B. sehr viel Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit eines Materials hat
Hierzu nutzen wir eine sog. KELVIN-Sonde. Beim Kontakt verschiedener Metalle gleichen sich die FERMI-Niveaus der Materialien an: das eine Metall lädt sich negativ auf, das andere positiv.
Wenn wir eine Messanordnung in Art eines Plattenkondensators konstruieren, in dem die Metalle gegeneinander schwingen, so können wir einen Wechselstrom im Stromkreis messen. wir können diesen Wechselstrom auf Null regeln, wenn wir die Ladungen der Metalle mit einer äußeren Spannungsquelle kompensieren. Die Kompensationsspannung ist ein Maß für den Unterschied
der Austrittsarbeiten phi(A)-phi(B) Das ist das Prinzip eines KELVIN-Schwingers: zwei Metalle in geringem Abstand, die gegeneinander schwingen und deren Austrittsarbeitsdifferenz kompensiert wird. Wir können mit einem KELVIN-Schwinger ein Werkstück abrastern hinsichtlich des Redoxpotentials. Wir können damit z.B. Korrosions- Effekte erkennen unter einer isolierenden Schutzschicht. Ein AFM eignet sich auch für Elastizitätsmessungen. Wir messen kontinuierlich die Kraft, während wir die AFM-Spitze langsam der Oberfläche annähern oder von der Oberfläche entfernen. Wir erhalten Kraft-Abstands-Kurven im Nanobereich. Eine Auswertung der Kurven liefert z.B. Aussagen über den Elastizitätsmodul oder über die Viskosität an einer Stelle der Oberfläche. Im Raster-Modus können wir z.B. die Härte eines Materials an verschiedenen Stellen und ein "Härte-Image" der Oberfläche erstellen. (Zusammenfassung: Rasterkraftmikroskopie) Eine Nadel an einer Feder rastert eine Oberfläche punktweise ab. Aus der auf die Nadel wirkende Kraft
(oder eine andere physikalische Größe) wird ein Bild der Oberfläche erzeugt. Der Scanbereich liegt im µm-Bereich; die Auflösung liegt im Nanometer-Bereich. Ein kompletter Scan benötigt eine gewisse Zeit (1 - 20 min); die Kosten für ein AFM-Gerät liegen im 5-stelligen
Eurobereich. AFM-Messungen funktionieren in verschiedenen Medien (z.B. in Luft und Wasser). Vibrationen, statische
Aufladung und thermische Ausdehnung kann die Methode einschränken.
Besprechung/Interview
Ländlicher Raum
Molekül
Makromolekül
Enzymsubstrat
Neutrale Lösung
Acidität
Korrosionsbeständigkeit
Werkstoffkunde
Metall
Fetoprotein <alpha->
Metall
Redoxpotential
Härte
Elastizitätsmodul
Schutzschicht
Werkstoffkunde

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Rastersondenmikroskopie - Wie ertastet man Atome und Moleküle auf einer Oberfläche?
Serientitel Einführung in die Oberflächenanalytik
Teil 5
Anzahl der Teile 12
Autor Lauth, Günter Jakob
Mitwirkende Lauth, Anika (Medientechnik)
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.5446/15746
Herausgeber Günter Jakob Lauth (SciFox)
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch
Produktionsjahr 2013
Produktionsort Jülich

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik, Chemie

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