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Vom Rastertunnelmikroskop bis zum Rasterkraftmikroskop: Warum sind sie so leistungsstark?
Die Rasterkraftmikroskopie (SPM) ist ein Zweig der Mikroskopie, der Bilder durch das Abtasten der Oberfläche einer Probe mit einer physikalischen Sonde erzeugt. Die SPM hat sich seit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops im Jahr 1981, einem Instrument, das Oberflächen auf atomarer Ebene abbilden kann, rasch weiterentwickelt. Den Beginn dieses Forschungsgebiets markierten die erfolgreichen Experimente von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer. Der Schlüssel dazu war die Verwendung einer Rückkopplungsschleife zur Regulierung des Abstands zwischen Probe und Sonde.
Rasterkraftmikroskope verwenden piezoelektrische Aktuatoren, um unter elektronischer Steuerung Bewegungen im atomaren oder feineren Maßstab auszuführen. Dadurch können sie Daten effizient erfassen, normalerweise in Form eines zweidimensionalen Datenrasters, und diese dann an einen Computer übertragen. Die Farben von Das Bild wird visualisiert.Die Auflösung der Rasterkraftmikroskopie variiert je nach Technik, mit einigen Techniken lässt sich jedoch eine recht beeindruckende atomare Auflösung erreichen.
Verschiedene Arten von Rasterkraftmikroskopen
Im Bereich SPM gibt es viele etablierte Techniken, wie etwa die Rasterkraftmikroskopie (AFM), die chemische Kraftmikroskopie (CFM), die Rastertunnelmikroskopie (STM) und viele andere Varianten. Diese Technologien haben ihre eigenen Eigenschaften und können entsprechend den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen ausgewählt werden.
Rasterkraftmikroskop-Daten werden häufig als Heatmaps angezeigt, die das endgültige Bild erzeugen.
Bilderzeugungstechnologie
Rasterkraftmikroskopbilder werden üblicherweise mithilfe der Rasterscan-Technologie erzeugt. Die Sonde wird über die Probenoberfläche gezogen und an jedem Scanpunkt wird ein spezifischer Wert aufgezeichnet. Die dabei erfassten Werte können je nach Betriebsart unterschiedlich sein.
Unterschiede zwischen Modellen und Technologien
Zwei gängige Betriebsmodi sind der Modus „Konstante Interaktion“ und der Modus „Konstante Höhe“. Im Modus der konstanten Interaktion wird der Abstand zwischen Sonde und Probe durch eine Rückkopplungsschleife angepasst, um eine stabile Interaktion aufrechtzuerhalten. Im Modus mit konstanter Höhe bewegt sich die Z-Achse der Sonde nicht, wodurch die Gefahr einer Kollision zwischen Sonde und Probe steigt.
Sondenaufbau und -eigenschaften
Form und Material der SPM-Sonde hängen von der jeweils verwendeten Technik ab, und die Form der Sondenspitze ist entscheidend für die Auflösung des Mikroskops. Je feiner die Sonde, desto höher die Auflösung. Um eine atomare Auflösung zu erreichen, muss die Spitze der Sonde ein einzelnes Atom sein.
Vor- und Nachteile der RasterkraftmikroskopieBei der Mikroskopie kann es vorkommen, dass die Spitze der Sonde nicht die erwartete Auflösung erreicht. Dies kann daran liegen, dass die Sonde zu stumpf ist oder mehrere Spitzen aufweist.
Der Hauptvorteil der Rasterkraftmikroskopie ist ihr beugungsfreies Auflösungsvermögen. Allerdings ist diese Eigenschaft aufgrund der erforderlichen langen Scanzeiten auch ihre Einschränkung. Die räumlichen Informationen beim Scanvorgang sind in die Zeitreihe eingebettet, was zu Messunsicherheiten führen kann.
Raster-Fotostrommikroskopie (SPCM)
Als Mitglied der Rasterkraftmikroskope verwendet SPCM einen fokussierten Laserstrahl als lokale Anregungsquelle, um die optoelektronischen Eigenschaften von Materialien zu untersuchen. Diese Technologie ist besonders wichtig für die Untersuchung von Halbleiter-Nanostrukturen.
Durch SPCM können wichtige Parameter wie die charakteristische Stromlänge, die Rekombinationskinetik und die Dotierungskonzentration analysiert werden.
Software zur Datenvisualisierung und -analyse
Die durch Rasterkraftmikroskopie erzeugten Daten müssen häufig mithilfe professioneller Visualisierungssoftware analysiert und präsentiert werden. Auf dem Markt sind zahlreiche kommerzielle und kostenlose Softwareoptionen erhältlich, die es den Benutzern ermöglichen, die erhaltenen Daten besser zu verstehen.
Die Entwicklungen bei Rastertunnelmikroskopen und Rasterkraftmikroskopen treiben den Fortschritt in der Nanotechnologie weiter voran. Bedeutet dies jedoch, dass wir in Zukunft vor größeren Herausforderungen stehen?
