Unser altes Interferometer AFM
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. 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 Wegdifferenzen 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 in welcher Weise nützt uns das für unser AFM? Man betrachte die Skizze in Abb. 1, sie zeigt das System, das zur Messdatenerfassung verwendet wird.
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Abb. 1: Skizze des Messprinzips des AFM |
Die Abbildung zeigt die Nadel mit der Spitze (das ganze System aus Halterungschip, Nadel und Spitze wird "Cantilever" genannt), die sich über einer Probenoberfläche befindet. Über der Nadel, die im Grunde eine Biegefeder ist, ist im Abstand d (d sind nur einige µm) eine Glasfaser angebracht, aus der ein Laserstrahl austritt, er besitzt die Intensität I0. Bewegt sich nun die Nadel beim Abrastern der Oberfläche, so ändert sich der Abstand d zwischen Nadel und Faserende entsprechend, dies können z.B. nur wenige Nanometer sein. 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 Abbildungen ist gezeigt, 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 und liegt auf einem Halter auf. In Abb. 3 ist die Situation zu sehen, die in Abb. 1 als Skizze dargestellt 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. Wie dieses Messsystem aber letztlich in den gesamtem Aufbau des AFM integriert ist, können Sie im Kapitel "AFM-Aufbau" nachlesen.
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Abb. 2: Cantilever |
Abb. 3: Faser zeigt auf die Nadel |
