Raster-Kraft-Mikroskopie (Atomic Force Microscopy AFM)reimann/PROSEMINAR/zz_penner.pdf · Entwickler des AFM Wegbereiter STM wurde 1982 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer in IBM

RASTER-KRAFT-MIKROSKOPIE(ATOMIC FORCE MICROSCOPY AFM)

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

Aufbau des 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

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:

Kapillarkräfte

Bei Messungen an Luft befindet sich Wasserdampf an der Luft

dD

RF

1

)cos(4

Coulombkräfte

Elektrostatische Aufladung kann die Probe zerstören

=> Rastern an einer Flüssigkeitsumgebungvermindert dieses Kraft

2

0

21

4 r

QQF

r

Betriebsmöglichkeiten des AFM

contact mode

noncontact mode

tapping mode

Betriebsmöglichkeiten des AFM

contact mode

noncontact mode

tapping mode

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

Aufnahmen vom AFM

Aufnahmen vom AFM

Aufnahmen vom AFM

Aufnahmen vom AFM

Dijodmethan-Tropfen unter Wasser

Aufnahmen vom AFM

Dijodmethan-Tropfen unter Wasser

NiO mit Fremdatom

Aufnahmen vom AFM

Aufnahmen vom AFM

Aufnahmen vom AFM

Aufnahmen vom AFM

Aufnahmen vom AFM

Aufnahmen vom AFM

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