Rasterkraftmikroskopie

Das Prinzip eines Rasterkraftmikroskops ist denkbar einfach. Im einfachsten Fall liegt die Sonde auf der Probe wie die Nadel eines Schallplattenspielers auf einer Schallplatte. Die Sonde ist am Ende eines Federbalkens befestigt. Wenn die Sonde über das Oberflächenrelief einer Probe rastert, werden die winzigen Auslenkungen des Federbalkens mit einem Laserstrahls detektiert. Aus der Auslenkung des Federbalkens werden die mikroskopischen Bilder rekonstruiert.

Rastertunnelmikroskope können nur elektrisch leitfähige Materialien abbilden. Diese Einschränkung gilt nicht für Rasterkraftmikroskope. Die Kraftmikroskopie eignet sich prinzipiell zur Untersuchung jedes festen Materials, sogar in diversen Umgebungen, wie Luft, Gasen oder sogar Flüssigkeiten. Messungen können bei unterschiedlichen Temperaturen oder in äußeren Magnetfeldern durchgeführt werden, den Möglichkeiten sind kaum Grenzen gesetzt. Ein großer Vorteil ist das vor allem für Anwendungen aus der Biologie: Biologische Proben können im Wasser mikroskopiert werden, also in einer naturähnlichen Umgebung.

Das Prinzip eines Rasterkraftmikroskops ist denkbar einfach. Im einfachsten Fall liegt die Sonde auf der Probe wie die Nadel eines Schallplattenspielers auf einer Schallplatte. Die Sonde ist am Ende eines Federbalkens befestigt. Wenn die Sonde über das Oberflächenrelief einer Probe rastert, werden die winzigen Auslenkungen des Federbalkens mit einem Laserstrahls detektiert. Aus der Auslenkung des Federbalkens werden die mikroskopischen Bilder rekonstruiert.

Die vielen Tastsinne eines Rasterkraftmikroskops

Im oben beschriebenen „Kontaktmodus“ eines AFM liegt die Sonde direkt auf der Oberfläche auf. In diesem Messmodus ist es unter anderem möglich, auf kleinster Skala das Phänomen der Reibung zu studieren. Es ist noch längst nicht geklärt, was auf atomarer und molekularer Ebene passiert, wenn zum Beispiel ein Autoreifen auf der Straße rutscht.

Der Kontaktmodus hat allerdings auch Nachteile: Sowohl die Sonde, als auch die Probe können dabei beschädigt werden. Außerdem ist es auf diese Weise unmöglich, einzelne Atome zu ertasten, weil die Kontaktfläche von Probe und Sonde in der Regel aus vielen Atomen besteht.

Ertasten einzelner Atome im „Nicht-Kontakt-Modus“

Nickeloxid-Oberfläche

Eine Lösung dieses Problems war die Entwicklung des dynamischen Rasterkraftmikroskops. Bei diesem Mikroskop wird der Federbalken mit der Sonde in Schwingungen versetzt. Wenn sich die schwingende Sonde der Probe annähert, ändert sich die Schwingungsfrequenz des Federbalkens. Dies geschieht sogar dann, wenn die Sonde noch über der Probe schwingt, sie also nicht berührt. Die Sonde wird an jedem Messpunkt wieder so weit von der Probenoberfläche entfernt, bis eine konstante Schwingungsfrequenz eingestellt ist. Mit diesem „Nicht-Kontakt-Modus“ gelang es 1995 zum ersten Mal, auch mit einem Rasterkraftmikroskop einzelne Atome abzubilden – ein Wunder, wenn man sich die Größenordnungen vor Augen hält: Mit einer Nadel, von einem Zehntel Millimeter Länge ein einzelnes Atom sichtbar zu machen, entspricht dem Versuch, mit der Spitze des Matterhorns einen Tennisball abzutasten.

Wie das Rastertunnel- ist auch das Rasterkraftmikroskop in der Lage, neben der Topografie einer Oberfläche auch diverse Materialeigenschaften zu vermessen: Magnetismus, elektrische Leitfähigkeit, mechanische Härte, Elastizität oder Adhäsion („Klebrigkeit“) und einiges mehr.

Tapping-Mode

Insbesondere zur Untersuchung von Elastizität und Adhäsion eines Materials wird der so genannte „Tapping-Mode“ verwendet, bei dem die schwingende Sonde die Oberfläche bei jeder Schwingung leicht berührt.

Magnetkraftmikroskop (MFM, engl.: magnetic force microscope)

Aufnahme mit Magnetkraftmikroskop

Ein Magnetkraftmikroskop ist ein Rasterkraftmikroskop mit einer magnetischen Sonde. Mit dieser Anordnung lassen sich Magnetfelder erkennen, die kleiner sind, als ein Zehntausendstel Millimeter. Einzelne Atome sind mit dem Magnetkraftmikroskop nicht zu erkennen, da die magnetischen Kräfte eine zu große Reichweite haben. Die magnetische Sonde spürt daher grundsätzlich mehrere Atome gleichzeitig.

Da stromführende elektrische Leitungen von einem Magnetfeld umgeben sind, wird auch versucht, das Magnetkraftmikroskop zur Messung von Stromstärken auf den winzigen Leitern von Computerchips zu verwenden.

Rasterkapazitätsmikroskop (SCM, engl.: scanning capacitance microscope)

Das Rasterkapazitätsmikroskop misst elektrische Ladungsverteilungen. Es ist eigentlich selbst so etwas wie ein Kondensator. Die Elektroden des Kondensators sind einerseits die Sondenspitze und auf der anderen Seite die Probe.

Rasterkapazitätsmikroskope sind vor allem für die Chipindustrie von wachsender Bedeutung. Auf den Prozessoren heutiger Computer sind auf einer Fläche von etwa einem Quadratzentimeter mehrere Millionen Transistoren zu finden. Ein Rasterkapazitätsmikroskop macht diese winzigen elektronischen Bauelemente nicht nur sichtbar, es blickt auch in sie hinein. Ein Transistor besteht aus verschiedenen Bereichen mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften. Das Rasterkapazitätsmikroskop kann diese Materialeigenschaften ertasten, mit einer Genauigkeit von mehr als einem Zehntausendstel Millimeter.

Rasterkraftmikroskope als Werkzeug

Ganz neue Möglichkeiten bietet das Rasterkraftmikroskop auch für Chemie und Biologie: Es ist möglich, einzelne Moleküle zwischen einer Oberfläche und der Sonde eines Rasterkraftmikroskopes zu befestigen. Mit Hilfe des Kraftmikroskops kann die Kraft bestimmt werden, die nötig ist, um das Molekül zu zerreißen. So ein Experiment erlaubt die Messung der chemischen Bindungsenergie an einem einzelnen Molekül.

Einzelne DNA-Moleküle können auf diese Weise gestreckt werden, so dass sich die Doppelhelix entfaltet, bis sie in zwei einzelne Stränge auseinander bricht. Aus diesen Messungen kann zum Beispiel gefolgert werden, ob das Molekül einer pharmazeutischen Substanz sich an der DNA angelagert hat oder nicht.

Rasterkraftmikroskope dienen auch als Schreibwerkzeug. Sie können kleinste Strukturen in eine Oberfläche eingravieren. IBM entwickelt einen Datenspeicher auf der Basis von Rasterkraftmikroskopen: Beim „Millipede“ sollen mehr als tausend Sonden gleichzeitig einen Datenspeicher aus Kunststoff beschreiben oder auch auslesen können. Zum Schreiben werden die Sonden erhitzt, so das sie eine kleine Mulde in den Datenspeicher schmelzen. Zum Lesen der Daten wird ausgenutzt, dass die leicht geheizte Sonde in so einem „Datenloch“ schneller Wärme verliert als außerhalb.