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Das AFM im Schülerlabor

Hier können Sie etwas über den AFM-Aufbau erfahren, wie er aktuell im Schülerlabor betrieben wird

Wie schon in der Einführung erwähnt, tastet ein Rasterkraftmikroskop mit einer extrem feinen Spitze die zu untersuchenden Probenoberflächen ab. Je nach Höhe der Struktur auf der Probe wird die feine Nadel, an deren Ende sich die Spitze befindet, mehr oder weniger ausgelenkt bzw. durchgebogen. Unser Gerät kann Strukturen bis zu einer Größe von etwa 5nm erkennen. Aber wie kann man die beim Scannen solch feiner Struktruren winzigen Veränderungen an der Nadel messen?

 

 

AFM-Messeinheit

Abb. 1: Messeinheit des AFM mit Lasereinheit, Positioniersystem, Spitze und Detektor

 

Betrachten wir dazu den links abgebildeten Aufbau der Messeinheit unseres AFM:
Ein Laserstrahl (im Bild rot eingezeichnet) wird rechts oben in den Aufbau eingekoppelt und auf die feine Nadel, an der sich die Spitze befindet, gerichtet. Der Laserstrahl wird dann an der feinen Nadeloberfläche reflektiert und in eine Detektoreinheit geführt.
Der Detektor ist eine sog. "Viersegment-Fotodiode" - solch ein Detektor kann die Position auf seiner Oberfläche erkennen, auf der der Laserstrahl auftrifft.
Bewegt sich nun die Nadel, wenn sie durch die zu messenden Strukturen ausgelenkt wird, so wird auch der Laserstrahl entsprechend ausgelenkt und verändert seine Position auf der Detektorfläche. Der Detektor gibt diese Veränderung aus und man kann daraus die Höhe ermitteln, um die die Nadel auf der Probe ausgelenkt wurde. Rastert man nun die ganze Probenoberfläche ab, d.h., lässt man die Nadel nun viele Punkte auf der Oberfläche durchfahren und ermittelt dabei die Nadelauslenkung (also die Höheninformation), so erhält man ein Bild von der Oberfläche. Dies kann man dann sogar dreidimensional darstellen.
Das Prinzip ist also einfach. Die Herausforderungen an so eine Methode liegen vor allem darin, dass man die Positionen sehr genau anfahren muss (Nanometer!), dass man die Daten in einer akzeptablen Geschwindigkeit aufnehmen kann (man muss für ein gutes Bild z.B. 250000 Bildpunkte abscannen und von jedem einzelnen die Höhe ermitteln) und dass die Störungen durch elektronisches Rauschen oder auch äußere Einflüsse (z.B. Erschütterungen durch Gehen im Raum) so gering wie möglich gehalten werden.

 

 

 

Die Abb. 2 unten zeigt den gesamten Aufbau unseres AFM. Dazu gehören neben der Messeinheit, die auch schon in Abb. 1 gezeigt ist, auch die Laser-Quelle (rechts) und die elektronische Ansteuerung, hier in Form einiger Controller (links im Bild), die ihrerseits wieder durch eine Software angesteuert werden.
Der ganze Aufbau befindet sich auf einem stabilen gedämpften Tisch, der Erschütterungen durch Bewegungen im Raum oder vorbeifahrende Autos vor dem Gebäude, stark reduziert.

 

 

 

AFM Aufbau gesamt

Abb. 2: Gesamter Aufbau unseres AFM mit Controllern zur Ansteuerung (links), dem Lasersystem (rechts) und der eigentlichen Messeinheit (mitte)
 

Wenn Sie wissen wollen, wie solche Aufnahmen schließlich aussehen, können Sie sich ein paar Bilder, die mit unserem Gerät gemacht wurden, ansehen.