Nano World
Nano, vom griechischen Wort für „Zwerg“, entspricht einer Vorsilbe, die einen Faktor von 10-9 bezeichnet. Ein Nanometer ist also ein Milliardstel Meter, also die Längenskala, in der intermolekulare Kräfte und Quanteneffekte wirksam werden. Um die Nanoskala in eine verständlichere Perspektive zu rücken, sollte man bedenken, dass die Größe eines Atoms im Verhältnis zu einem Apfel der Größe eines Apfels im Verhältnis zum Planeten Erde entspricht! Rasterkraftmikroskope (AFMs) geben uns einen Einblick in diese Welt im Nanomaßstab.
AFM-Prinzip
– Oberflächenabtastung
Ein AFM verwendet einen Ausleger mit einer sehr scharfen Spitze, um über eine Probenoberfläche zu fahren. Wenn sich die Spitze der Oberfläche nähert, führt die Anziehungskraft zwischen der Oberfläche und der Spitze dazu, dass der Cantilever in Richtung Oberfläche ausgelenkt wird. Wenn der Cantilever jedoch noch näher an die Oberfläche gebracht wird, so dass die Spitze die Oberfläche berührt, tritt zunehmend eine abstoßende Kraft auf, die den Cantilever von der Oberfläche ablenkt.
– Detektionsmethode
Ein Laserstrahl wird verwendet, um Auslenkungen des Cantilevers in Richtung oder weg von der Oberfläche zu erkennen. Durch die Reflexion eines einfallenden Strahls an der flachen Oberseite des Auslegers verursacht jede Auslenkung des Auslegers geringfügige Änderungen in der Richtung des reflektierten Strahls. Eine positionsempfindliche Fotodiode (PSPD) kann verwendet werden, um diese Änderungen zu verfolgen. Wenn also eine AFM-Spitze über ein erhabenes Oberflächenmerkmal fährt, wird die daraus resultierende Auslenkung des Cantilevers (und die anschließende Richtungsänderung des reflektierten Strahls) von der PSPD aufgezeichnet.
– Bildgebung
Ein AFM bildet die Topografie einer Probenoberfläche ab, indem es den Cantilever über einen Bereich von Interesse scannt. Die Erhebungen und Senkungen auf der Probenoberfläche beeinflussen die Auslenkung des Cantilevers, die von der PSPD überwacht wird. Durch den Einsatz einer Rückkopplungsschleife zur Steuerung der Höhe der Spitze über der Oberfläche – und damit zur Aufrechterhaltung einer konstanten Laserposition – kann das AFM eine genaue topografische Karte der Oberflächenmerkmale erstellen.