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Eine neue Ära in der Mikroskopie: Wie wird das wissenschaftliche Wunder der Bildgebung im atomaren Maßstab erreicht?
Seit der Einführung des Rastertunnelmikroskops (STM) im Jahr 1981 hat sich die Rasterkraftmikroskopie (SPM) zu einer Spitzentechnologie für die Untersuchung von Oberflächenstrukturen entwickelt. Diese Technik wurde erstmals von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer demonstriert, die mithilfe einer Rückkopplungsschleife den Abstand zwischen Sonde und Probe präzise regelten und so eine Bildgebung im atomaren Maßstab ermöglichten. Dank der technologischen Entwicklung können heutige SPM nicht nur hochauflösende Bilder von Oberflächenstrukturen erzeugen, sondern auch mehrere physikalische Interaktionen gleichzeitig abbilden, was Wissenschaftlern eine neue Perspektive bei der Erforschung der mikroskopischen Welt bietet.
Der Schlüssel zur Rasterkraftmikroskopie ist die Verwendung piezoelektrischer Antriebe zur Steuerung präziser Bewegungen auf atomarer Ebene.
Die Vielfalt der Rasterkraftmikroskopie liegt in den vielen Technologien, die aus ihr hervorgegangen sind, darunter die Rasterkraftmikroskopie (AFM), die chemische Kraftmikroskopie (CFM), die elektrostatische Kraftmikroskopie (EFM), die Rastertunnelmikroskopie (STM) usw. Jede Technologie hat ihre einzigartigen Vorteile und Anwendungsbereiche. Beispielsweise werden bei der Rasterkraftmikroskopie (AFM) durch winzige Bewegungen einer Sonde Kräfte auf der Oberfläche einer Probe gemessen, wodurch ein hochauflösendes Bild der Oberflächentopographie entsteht.
Durch verschiedene Scanmodi, wie den konstanten Interaktionsmodus und den konstanten Höhenmodus, können Wissenschaftler auf unterschiedliche Weise detaillierte Informationen über die Probe erhalten.
Im Modus „Konstante Interaktion“ hält die Sonde eine konstante Interaktion mit der Probenoberfläche aufrecht und die gemessenen Daten werden in eine Wärmekarte umgewandelt, die die Topographie der Probenoberfläche zeigt. Im Modus mit konstanter Höhe wird die Probenoberfläche gescannt, ohne die Sonde zu bewegen. Obwohl der Modus mit konstanter Höhe durch Rückkopplungen verursachte Artefakte beseitigen kann, ist seine Bedienung relativ schwierig und erfordert eine extrem hohe Kontrolle der Sonde.
Um eine Auflösung im atomaren Bereich zu erreichen, sind auch das Design und das Material der Sonde entscheidend. Normalerweise muss die Spitze der Sonde bei Einzelatom-Spitzensonden sehr scharf sein, um optimale Bildgebungsergebnisse zu liefern. Dies betrifft nicht nur die Fertigungstechnologie der Sonde, sondern auch ein tiefes Verständnis für die Materialauswahl.
Die Auflösung der aktuellen Rasterkraftmikroskopie wird eher durch das Wechselwirkungsvolumen zwischen Sonde und Probe begrenzt als durch die Beugungsgrenze.
Der Vorteil der Rasterkraftmikroskopie besteht darin, dass für den Betrieb keine Vakuumumgebung erforderlich ist, sodass Beobachtungen in herkömmlicher Luft oder Flüssigkeiten durchgeführt werden können. Gleichzeitig ist diese Technologie jedoch auch mit einigen Herausforderungen verbunden, wie etwa einer langsamen Bilderfassungsgeschwindigkeit und dem Einfluss der spezifischen Form der Sonde auf die Daten, wenn die Probe große Höhenänderungen aufweist.
Eine verwandte Technik ist die Raster-Fotostrommikroskopie (SPCM), bei der anstelle einer Sonde ein fokussierter Laserstrahl verwendet wird, um eine räumlich aufgelöste Prüfung von Materialien zu ermöglichen. Diese Technik ist in der optoelektronischen Industrie besonders wichtig, da sie eine Analyse der ortsabhängigen Veränderung der optischen Eigenschaften eines Materials ermöglicht.
SPCM regt Halbleitermaterialien durch Laser an, um Fotostrom zu erzeugen, und scannt an verschiedenen Positionen, um eine Karte der optoelektronischen Eigenschaften zu erhalten.
Mithilfe der SPCM können Forscher Informationen wie etwa die Defektdynamik des Materials, die Diffusionslänge der Minoritätsträger und das elektrische Feld analysieren, was dazu beitragen kann, die optischen Eigenschaften des Materials weiter zu verbessern.
Mit dem Fortschritt der Computertechnologie sind moderne SPM-Systeme zur Bilderzeugung in der Regel auf fortschrittliche Visualisierungs- und Analysesoftware angewiesen. In diesem Prozess ist Bildwiedergabesoftware unverzichtbar und verschiedene Softwarepakete wie Gwyddion und SPIP werden häufig bei der Verarbeitung und Analyse von SPM-Daten verwendet.
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie hat sich der Anwendungsbereich von Rasterkraftmikroskopen ständig erweitert. Sie sind nicht nur auf die Grundlagenforschung in den Materialwissenschaften beschränkt, sondern werden auch häufig in der Biologie, Chemie, Nanotechnologie und anderen Bereichen eingesetzt. Diese Technologien ermöglichen es Wissenschaftlern, die mikroskopische Welt aus einer völlig neuen Perspektive zu erforschen und präzisere Beobachtungen zu erzielen.
Bei der Erforschung der unendlichen mikroskopischen Welt haben wir erst eine dünne Schicht der Wissenschaft abgetragen. Welche unbemerkten Wunder werden in Zukunft enthüllt?
