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Messen mit dem AFM - die Praxis

Annäherung der Messnadel an die Probe

 

Um mit unserem AFM überhaupt die Nanostruktur von Oberflächen messen zu können, müssen wir natürlich die Messnadel so weit an die Probe annähern, dass die Nadel die atomaren Kräfte der Probe spürt. Man könnte auch einfach sagen, wir müssen die Nadel vorsichtig auf die Probe aufsetzen. Wir haben gesehen, dass die Nadel extrem fein und empfindlich ist und sehr leicht kaputtgehen kann. Zudem ist sie so klein, dass wir trotz Vergrößerung mit einer Kamera niemals direkt sehen können, wann die Nadel aufsitzt. Wie können wir diese Annäherung also bewerkstelligen und wann wissen wir, dass die Nadel nah genug an der Probe ist?

Wir verwenden dazu einen Trick:

Wir lassen den Cantilever einfach gegenüber der Faser auf- und abschwingen, indem wir den Piezo, an dem der Cantilever angebracht ist (siehe Aufbaubeschriftung Nr. 7 im vorherigen Kapitel) von einem Sinusgenerator ansteuern. Dies ist schematisch in Abb. 1a) gezeigt. In Abb. 1b) erkennt man in einer Momentaufnahme das resultierende Signal, das am Oszilloskop ausgegeben wird. Die grüne Kurve in der Abbildung ist das Anregungssignal, das direkt vom Funktionsgenerator kommt. Die gelbe Kurve zeigt das gemessene Signal vom Licht aus der Faser. Durch die ständige Veränderung des Abstands zwischen Faser und Cantilever werden Interferenzmaxima und -minima durchlaufen, die im Bild deutlich zu sehen sind. Im Kapitel vom Messprinzip wurde bereits erklärt, wie diese Interferenz zustande kommt. In der Mitte des in Abb. 1b) gezeigten gelben Signals sieht man eine 'ruhigere' Zone, in der man keine dicht beieinander liegenden Interferenzextrema findet - das ist der Umkehrpunkt, wenn sich die Nadel ganz oben oder ganz unten befindet (Situationen 1 und 2 in Abb. 1a)). Man erkennt das auch deutlich an der grünen Signalkurve vom Sinusgenerator, denn hier hat man einen Nulldurchgang des Anregungssignals.

Skizze Annäherung


AFM Oszillation

Abb. 1a): Der zusätzliche Piezo lässt den Cantilever auf und ab oszillieren, sodass sich der Abstand zwischen Faser und Nadel periodisch verändert. Abb. 1b): Das resultierendes Signal am Oszilloskopschirm ist in gelb dargestellt - man erkennt die Durchläufe der Maxima und Minima der Interferenz in der Faser. Die grüne Kurve zeigt die anregende Sinusschwingung

 

 

Doch wie funktioniert nun die Annäherung? Man lässt das System einfach wie eben beschrieben schwingen, wobei die Nadel noch nicht auf der Probe sitzt. Dann fährt man die Probe mit Hilfe der z-Achsen-Schraube des Positioniertisches (siehe Aufbau-Kapitel, Bauteil 4b) manuell langsam und vorsichtig nach oben, d.h., immer näher an die Nadel heran, und beobachtet ständig das Signal am Oszilloskop. Sobald die Nadel auf der Probe aufsitzt, sieht man, wie die Interferenzmaxima und -minima auf einmal verschwinden. Wenn die Nadel nämlich auf die Probe stößt und aufliegt, kann sie nicht weiter nach unten ausgelenkt werden, der Abstand zur Faser bleibt in dem Bereich konstant und es gibt daher keine Interferenz mehr. Hat man diesen Punkt erreicht, so kann man den Frequenzgenerator abschalten und die Nadel in dieser Position lassen. Sie ist nun richtig angenähert (d.h. sie sitzt auf der Probe auf) und man kann mit der Messung beginnen.

 

Messen mit dem AFM

 

Wenn wir die Nadel richtig angenähert haben, kann die Messung beginnen. Über eine Software werden nun die Piezos für die x- und y-Richtung (also die horizontale Ebene) auf eine Rasterbewegung gesteuert, eine bestimmte Probenfläche wird also abgescannt, der Scanbereich kann eingestellt werden. Je nach Höhenprofil wird nun die Nadel mehr oder weniger ausgelenkt. Dadurch verändert sich die Intensität in unserem Interferenzbild, die von der Photodiode, wie vorher beschrieben wurde, in ein Spannungssignal umgewandelt und an die Software weitergegeben wird. In der Software erscheint zeitgleich mit der Messung ein Bild, das das Höhenprofil in Grau- oder Farbwerten wiedergibt. Abb. 2 zeigt eine Aufnahme einer Testprobe, die etwa 100nm tiefe Rillen aufweist. Der Scanausschnitt in der x-y-Ebene beträgt 20µm x 20µm.

 

 

   

AFM 3D

Abb. 2: AFM-Aufnahme einer Probe mit 100nm tiefen Strukturen

 Wenn Sie ein paar weitere Aufnahmen sehen wollen, die wir mit unserem AFM gemacht haben, dann gehen Sie bitte zur AFM Galerie.