Um Abstände zu messen, kann man die entsprechenden Distanzen zunächst mit einem Lineal ausmessen. Für kleinere Abstände, die sich damit nicht erfassen lassen oder für kleinere Strukturen verwendet man die Methoden der Optik, beispielsweise Instrumente wie das Fabry‐Perot‐Etalon und optische Phänomene wie beispielweise Interferenz. Jedoch ist auch diese Methode auf die Größenordnung der Wellenlänge des verwendeten Lichts beschränkt. Für noch feinere Strukturen kann man die Nutzung von kleinen Strömen oder Kräften im Rastertunnelmikroskop oder Rasterkraftmikroskop. In unserem Versuch werden wir uns mit den physikalischen Eigenschaften des Rasterkraftmikroskops befassen.
Das Rasterkraftmikroskop verwendet eine feine Siliziumfeder (Cantilever), um die Kräfte zwischen der Probe und dem Gerät zu messen. Dies geschieht durch die Auslenkung der Feder durch die auftretenden Kräfte. Die Federkonstante muss dementsprechend gering sein. Um die Auslenkung der Feder zu messen, wird ein Laserstrahl auf den Cantilever projiziert. Durch die Verbiegung der Feder ändert sich die spiegelnde Fläche und damit die Position des reflektierten Strahls. Durch Umrechnung kann damit die Federauslenkung und somit die Kraft bestimmt werden. Über die wirkende Kraft kann mithilfe des Lennard‐Jones‐Potentials der Abstand zwischen Probe und Spitze des AFM berechnet werden. Damit ist es möglich, die Oberfläche der Probe zu rekonstruieren. Das Lennard‐Jones‐Potential hilft hierbei, alle verschiedenen Wechselwirkungen zusammenzufassen.
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Methodik
- Fragen zur Vorbereitung
- Auflösungsvermögen von Mikroskopen
- Funktionsweise eines PI(D)-Reglers
- Anforderungen an AFM-Proben
- Betriebsmodi des AFM
- Resonanzkurve des Cantilevers
- Setpoint im Programm "Nanosurf"
- Bestimmung der Spitzenform
- Faltungsfunktion
- Programme "AFM Model", "Driven Oscillator" und "Probe Simulator"
- Software "Nanosurf Easy Scan 2"
- Versuchsaufbau und Messtechniken
- Versuchsprotokoll
- Messung des Eichgitters
- CD-Presswerkzeug
- Nanotubes
- Glasperlen
- PS/PMMA
- Holografieplatte
- Auswertung
- Analyse des Eichgitters
- Länge
- Breite
- Höhe
- CD-Masterpresswerkzeug
- Abstand zwischen Spuren
- Bumplängen
- Nanotubes
- Länge
- Breite und Höhe
- Krümmungsradius
- Glasperlen
- PS/PMMA
- Holografisches Gitter
- Analyse des Eichgitters
- Fazit
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Ziel des Versuchs ist die Erkundung der physikalischen Eigenschaften des Rasterkraftmikroskops (AFM) und dessen Einsatz zur Analyse verschiedener Proben. Der Versuch befasst sich mit der Funktionsweise des AFM im Kontakt- und Non-Kontakt-Modus sowie mit verschiedenen Aspekten der Messtechnik und Datenanalyse.
- Funktionsweise des Rasterkraftmikroskops
- Anwendung des AFM zur Untersuchung verschiedener Oberflächen
- Messung und Analyse von Abständen, Höhen, Breiten und Krümmungsradien
- Einsatz des AFM für die Materialcharakterisierung
- Datenanalyse und Auswertung von AFM-Messungen
Zusammenfassung der Kapitel
Die Einleitung führt in die Thematik des Rasterkraftmikroskops ein und beleuchtet die Anwendungsmöglichkeiten und die Grenzen von herkömmlichen Messmethoden. Im Kapitel "Methodik" wird die Funktionsweise des AFM detailliert erklärt, wobei die Auslenkung des Cantilevers durch die auftretenden Kräfte und die Messung dieser Auslenkung mittels eines Laserstrahls im Vordergrund stehen. Das Kapitel "Fragen zur Vorbereitung" beleuchtet verschiedene Aspekte des AFM-Prinzips, wie z.B. das Auflösungsvermögen, die Funktionsweise eines PI(D)-Reglers, die Anforderungen an Proben, die verschiedenen Betriebsmodi, die Abhängigkeit der Resonanzkurve von verschiedenen Parametern, den Setpoint im Programm "Nanosurf" und die Bestimmung der Spitzenform. Die geometrische Bedeutung der Faltungsfunktion wird ebenfalls diskutiert.
Der Versuchsaufbau und die Messtechniken werden im Kapitel "Versuchsaufbau und Messtechniken" erläutert. Die verschiedenen Proben, die im Versuch untersucht werden, werden im Kapitel "Versuchsprotokoll" detailliert beschrieben, ebenso wie die Durchführung der Messungen. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt in Kapitel "Auswertung" für jede Probe, wobei die gewonnenen Daten hinsichtlich Länge, Breite, Höhe, Abstand zwischen Spuren und Krümmungsradius analysiert und mit den theoretischen Werten verglichen werden.
Das Fazit fasst die wichtigsten Erkenntnisse aus dem Versuch zusammen und betont die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten des Rasterkraftmikroskops.
Schlüsselwörter
Rasterkraftmikroskop (AFM), Cantilever, Resonanzfrequenz, Non-Kontakt-Modus, Kontakt-Modus, PI(D)-Regler, Setpoint, Spitzenform, Faltungsfunktion, Eichgitter, CD-Presswerkzeug, Nanoröhrchen, Glasperlen, Polystrol, Polymethylmethacrylat (PMMA), Holografieplatte, Datenanalyse, Auswertung, Materialcharakterisierung.
- Citation du texte
- Moritz Lehmann (Auteur), Niklas Stenger (Auteur), 2017, Physikalische Eigenschaften und Anwendung des Rasterkraftmikroskops, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/383227
