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Messprinzip unseres AFM

Signalerfassung über ein Interferometer

Wie schon in der Einführung erwähnt, tastet ein Rasterkraftmikroskop mit einer extrem feinen Spitze zu untersuchende 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. Doch wie kann man nun diese Nadelauslenkung messen? Ist die Struktur z.B. nur 10nm hoch, so wird die Nadel auch nur um 10nm ausgelenkt. Man benötigt also ein äußerst empfindliches Verfahren, um so geringe Differenzen messen zu können.

Interferometrische Verfahren haben sich bewährt, wenn es um die Messung extrem kleiner Wegunterschiede geht. Man nutzt Interferenzeffekte des Lichts, die Helligkeitsunterschiede bei verschiedenen Phasenlagen von zwei interferierenden Teilstrahlen bewirken. Auch das Mach-Zehnder-Interferometer im Versuch "Quantenradierer" ist ein solches Gerät, wird dort allerdings nicht zur Weglängenmessung verwendet.
Doch wie funktioniert das in unserem AFM? Man betrachte die Skizze in Abb. 1.

 

 

Abb. 1: Skizze des Messprinzips des AFM

Die Abbildung zeigt die Nadel mit der Spitze (das ganze System wird "Cantilever" genannt), die sich über einer Probenoberfläche befindet. Über der Nadel ist im Abstand d von der Nadel (d sind nur einige µm) eine Glasfaser angebracht, aus der ein Laserstrahl austritt, er besitzt die Intensität I0.
Ein Teil des Laserstrahls wird nun am Faserende reflektiert (der reflektierte Betragsanteil des elektrischen Feldes sei hier ER1 genannt) und der Teil des Strahls, der aus dem Faserende austritt, wird an der Oberseite der Nadel reflektiert (Anteil ER2). Beider Teilstrahlen werden also in die Faser zurückreflektiert und überlagern sich schließlich, d.h. sie interferieren miteinander.

Bewegt sich nun die Nadel beim Abrastern der Oberfläche, so ändert sich der Abstand d zwischen Nadel und Faserende entsprechend, teilweise um nur wenige Nanometer. Damit ändert sich die Phasenlage zwischen den Teilstrahlen und entsprechend die Gesamtintensität des rückreflektierten Lichts. Dieses Licht wird von der Faser zurück in eine Fotodiode geleitet, die diese feinen Helligkeitsschwankungen messen kann und als Spannungswert ausgibt. Dieses Spannungssignal kann man über eine Elektronik in die Mess-Software einlesen, die den Spannungswert über eine Kalibrierung in ein Höhensignal umwandeln kann.

 

In den beiden untenstehenden Abbildung kann man sehen, wie das in der Realität aussieht. Abb. 2 zeigt nur den Cantilever, ganz vorne erkennt man die feine Nadel, an deren vorderen Ende sich die Scan-Spitze befindet, die so klein ist, dass man sie nur mit einem Mikroskop erkennen kann. Der Cantilever-Chip ist ca. 5 mm lang. In Abb. 3 ist die Situation gezeigt, die in Abb. 1 skizziert ist. Man erkennt die Faser, aus der der rote Laserstrahl austritt. Sie ist auf die Nadel gerichtet, der Cantilever sitzt auf einer Halterung. Der Positioniertisch mit der Probe darauf, kann schließlich hochgefahren werden, bis die Nadel mit der Probe in Kontakt steht. 

 

AFM cantilever

Abb. 2: Cantilever

Realbild Cantilever und Faser

Abb. 3: Faser zeigt auf die Nadel