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Unser AFM-Aufbau

Der Aufbau eines Rasterkraftmikroskops ist vom Prinzip her nicht schwierig zu verstehen. Im Wesentlichen benötigt man

  • eine Messeinheit, die in unserem Fall aus dem System aus Cantilever, Faser, Laser und Fotodiode besteht
  • ein Positioniersystem, d.h. einen Positioniertisch, der sich in alle drei Raumrichtungen verfahren lässt. Idealerweise sollte er einen gewissen groben Verfahrweg sowie einen sehr feinen, für den 'Nanobereich' geeigneten, ermöglichen. Mit diesem Positioniersystem wird die Probe dann unter der stillstehenden Messnadel in einem Rasterverfahren durchgefahren (Man bewegt also die Probe, nicht die Nadel).
  • eine Elektronik + Software zur Datenaufnahme und -verarbeitung.

Was so einfach klingt, hat natürlich auch seine Tücken, denn die Anforderungen an die einzelnen Komponenten sind hoch: Da sich alles in den winzigen Dimensionen der Nanowelt abspielt, müssen die Geräte sehr empfindlich, aber auch stabil sein. So darf z.B. der Positioniertisch, auf dem die Probe sitzt, beim Verfahren nicht ruckeln oder sich unpräzise bewegen - beim Abscannen von Oberflächen mit wenigen Nanometer hohen Strukturen wäre das fatal für die Messung. Desweiteren muss alles auf µm hin justierbar sein, wie beispielsweise die Ausrichtung der Faser über der Messnadel.

Abb. 1 zeigt den Messaufbau unseres AFM-Prototypen. Der Laser, Elektronik-Komponenten und der Photodiodendetektor sowie andere hilfreiche Geräte, die wir in dem Zusammenhang verwenden, wie ein Oszilloskop und ein Funktionsgenerator, sind nicht im Bild.

 

AFM Aufbau

Abb. 1: AFM - Aufbau: Unser Prototyp

Die einzelnen Komponenten sind:

  1. Positioniertisch, der in alle 3 Raumrichtungen beweglich ist (x und y in der horizontalen Ebene ermöglichen das Rastern über die Probe, über die z-Achse stellt man die Probenhöhe ein)
  2. Differentialschrauben in x-, y- und z-Richtung zur Grobpositionierung
  3. Probentisch
  4. Faser vom Laser bzw. zur Fotodiode
  5. Halterung für die Faser, aus der der Laser aus- und eintritt: Sie ist in sechs Raumrichtungen einstellbar, also auch verkippbar, um eine optimale Justage der Faser über dem Cantilever zu ermöglichen. Die Güte des Signals hängt stark von dieser Justage ab.
  6. Cantileverhalter mit Cantilever
  7. weiterer Piezotisch, der eine Bewegung des Cantilevers in vertikaler Richtung ermöglicht. Wozu das hilfreich ist, können Sie im Kapitel "Messen mit dem AFM - die Praxis" erfahren.
  8. Kamera, mit der die Justage der Faser sowie die Annäherung der Messnadel an die Probe optisch beobachtet werden kann

 Die Funktion all dieser Komponenten dürfte relativ klar sein. Der Cantilever sitzt auf dem Cantileverhalter (6), über ihm ist die optische Faser, die sich in einem verstellbaren Halter (5) befindet, ausgerichtet. Aus ihr tritt der Laserstrahl aus bzw. dessen Reflexion wieder ein. Wie im vorigen Kapitel über das Messprinzip erklärt wurde, findet hier die eigentliche Aufnahme des Signals statt. Die Probe, die auf den Probentisch (3) des Positioniertisches (1) gelegt wird, wird mit den Differenzialschrauben (2) zunächst grob in die richtige Position gebracht, d.h. an die Stelle, die gemessen werden soll. Für die eigentliche Messung wird die Bewegung der Probe auf dem Positioniertisch aber über eine Software gesteuert. Die Software gibt zunächst elektronischen Controllern (nicht im Bild) Befehle, die daraufhin die Bewegung des Tisches steuern, die Anschlüsse dieser sind im Bild bei zu sehen: Man erkennt an der Vorderseite des Positioniertisches 3 Kabelanschlüsse für x,y und z. Die eigentliche Bewegung wird dann durch sog. Piezoaktuatoren ausgeführt. Diese kleinen Motoren sind im Prinzip kleine Kristalle, die sich beim Anlegen einer Spannung verformen. Die gewünschte Spannung und damit der gewünschte Verfahrweg wird durch die Controller gesteuert. Eine digitale Kamera (8) ermöglicht das Beobachten der Probe und der Messnadel bei der Justage und Annäherung.
Allerdings kann man durch reine Kamerabeobachtung unmöglich feststellen, ob Probe und Messnadel schon in Kontakt stehen oder nicht, man sieht lediglich, ob man schon "grob in der Nähe" ist, und viel zu schnell kann die Nadel kaputt gehen.
Doch wie bringt man nun die feine Spitze an der Messnadel in Kontakt mit der Probe, ohne die extrem empfindliche Nadel zu zerstören? Und wofür wird der zusätzliche Piezotisch (7) benötigt? Lesen Sie die Antworten im Kapitel "Messen mit dem AFM - die Praxis".

 

Folgende Skizze in Abb. 2 zeigt das Aufbau-Prinzip nun schematisch, um die eigentlichen Funktionen zu verdeutlichen:

  

AFM Aufbau, Skizze

Abb. 2: Schematische Darestellung des Aufbau-Prinzips des AFM

 

Die Skizze zeigt die Verarbeitungskette beim Messvorgang: Über den z-Piezo, der den Cantilever in vertikaler Richtung bewegen kann, werden Messnadel und Probe einander angenähert. Über die Software auf dem PC gibt man nun die Steuerbefehle ein, wie die Probe gescannt werden soll. Eine Analog-Digital-Wandlerkarte wandelt den Software-Befehl in bestimmte Spannungswerte um, die nun an die Piezo-Controller übermittelt werden. Die Controller verarbeiten diese Signale weiter, um letztlich die Piezoaktuatoren, die direkt im Positioniertisch sitzen, zu bewegen.
Laserlicht von einem externen Laser wird gleichzeitig über einen sog. Faserkoppler, der die Lichtintensität aufteilt, in Richtung des Cantilevers geschickt. Hier sitzt das Faserende, das das Interferometer bildet, wie im Kapitel "Messprinzip" beschrieben. Das freie Faserende wird hier nicht genutzt und spielt keine Rolle.
Schließlich wird das Laserlicht, das vom Interferometer kommt, wieder in die Faser eingekoppelt und über den Faserkoppler zurück geleitet und gelangt schließlich in den Photodetektor. Die Intensität des Lichts wird dort gemessen und als Spannungssignal ausgegeben. Dieses Signal wird zurück zur A/D-Wandlerkarte geleitet und von der Software als Höheninformation interpretiert.