Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist ein bildgebendes Verfahren zur Messung der physikalischen Eigenschaften einer Probe im Nanomaßstab. Mit dieser Technik lassen sich Kräfte im Nanobereich und Oberflächentopografien messen und Veränderungen der Oberflächeneigenschaften feststellen. Sie ist eine der leistungsfähigsten Rastersondenmikroskopietechniken, die es gibt, und wurde für eine Vielzahl von Forschungsanwendungen eingesetzt.
Bei der Rasterkraftmikroskopie wird eine Probe mit einer sehr scharfen Sondenspitze abgetastet, die normalerweise aus Silizium oder Diamant besteht. Die Sondenspitze ist an einem Cantilever befestigt, der mit einem Scanner verbunden ist. Mit Hilfe des Scanners werden der Ausleger und die Spitze bewegt, was eine präzise Messung der Probenoberfläche ermöglicht. Die Sondenspitze ist so klein, dass sie selbst kleinste Kräfte bis zu einigen Piconewton erfassen kann.
Die Rasterkraftmikroskopie hat viele Vorteile gegenüber der herkömmlichen optischen Mikroskopie. Sie ist in der Lage, Proben abzubilden, die bisher zu klein waren, um von Lichtmikroskopen gesehen zu werden, wie z. B. einzelne Moleküle und Atome. Sie kann auch Oberflächeneigenschaften mit großer Genauigkeit messen und in einer Vielzahl verschiedener Umgebungen, von Luft bis zu Flüssigkeiten, eingesetzt werden.
Obwohl die Rasterkraftmikroskopie ein unglaublich leistungsfähiges Instrument ist, hat sie doch einige Grenzen. Sie ist nicht in der Lage, ein Bild einer Probe in einer einzigen Aufnahme zu erzeugen, sondern erfordert mehrere Scans, um ein Bild zu erstellen. Außerdem ist eine sorgfältige Ausrichtung der Probe und des Cantilevers erforderlich, und wenn die Ausrichtung nicht perfekt ist, werden die Ergebnisse beeinträchtigt.
Die Rasterkraftmikroskopie wurde in einer Vielzahl von Forschungsanwendungen eingesetzt, z. B. in der Biologie, der Materialwissenschaft, der Nanotechnologie und der Elektronik. Sie wurde zur Untersuchung der Struktur und der Eigenschaften einzelner Moleküle, zur Messung der Kräfte zwischen ihnen und zur Untersuchung der Oberfläche einer Probe eingesetzt. Sie kann auch zur Messung der Steifigkeit eines Materials oder der Oberflächenenergie einer Probe verwendet werden.
In der Rasterkraftmikroskopie werden verschiedene Techniken verwendet, darunter der Tapping-Modus, die Kraftmodulation und die Kraftspektroskopie. Der Tapping-Modus wird zur Messung der Oberflächentopografie einer Probe verwendet, während die Kraftmodulation zur Messung der Kräfte zwischen der Sondenspitze und der Probenoberfläche eingesetzt wird. Die Kraftspektroskopie wird zur Messung der Steifigkeit einer Probe verwendet.
Die Rasterkraftmikroskopie erfordert den Einsatz einer Vielzahl von Instrumenten, um die Kräfte zwischen der Sondenspitze und der Probenoberfläche zu messen. Die am häufigsten verwendeten Instrumente sind Rastersondenmikroskope, die aus einem Ausleger und einem Scanner bestehen. Andere Instrumente sind Kraftsensoren, Interferometer und Laser.
Bei der Verwendung der Rasterkraftmikroskopie ist es wichtig, Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen. Da die Sondenspitze so klein ist, kann die Probe beschädigt werden, wenn der Cantilever nicht richtig ausgerichtet ist. Es ist auch wichtig, die Umgebung, in der die Probe gescannt wird, zu berücksichtigen, da einige Proben auf bestimmte Umgebungsbedingungen empfindlich reagieren können.
Die Rasterkraftmikroskopie ist eine unglaublich leistungsfähige Technik, die für eine Vielzahl von Forschungsanwendungen eingesetzt wird. Da die Technologie weiter verbessert wird, ist es wahrscheinlich, dass sie in Zukunft für noch mehr Anwendungen eingesetzt wird. Dank ihrer Fähigkeit, Kräfte im Nanomaßstab zu messen, könnte sie zur Untersuchung einer Vielzahl verschiedener Bereiche wie Nanotechnologie und Materialwissenschaft eingesetzt werden.
Ein Rasterkraftmikroskop (AFM) ist eine Art Rastersondenmikroskop, mit dem eine Vielzahl von Eigenschaften von Oberflächen auf atomarer Ebene gemessen werden kann. Das AFM ist ein sehr vielseitiges Werkzeug, das für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann, darunter Bildgebung, Charakterisierung und Nanofabrikation.
AFM ist eine Technologie, die eine scharfe Sonde verwendet, um Oberflächen auf atomarer Ebene abzubilden. Die Sonde ist auf einem Cantilever montiert, der an einem piezoelektrischen Kristall befestigt ist. Der Kristall versetzt den Cantilever bei seiner Resonanzfrequenz in Schwingung, und die Sonde wird über die Oberfläche geführt. Die Sonde wechselwirkt mit den Atomen der Oberfläche, und der Cantilever wird ausgelenkt. Die Auslenkung wird durch einen Laserstrahl erfasst, der vom Cantilever reflektiert wird. Die Position des Laserstrahls wird überwacht, und diese Information wird zur Erstellung einer Karte der Oberfläche verwendet.
Die drei Hauptbetriebsarten eines AFM-Experiments sind der Kontaktmodus, der Kraftspektroskopie-Modus und der Tapping-Modus. Der Kontaktmodus ist der am häufigsten verwendete Modus und wird zur Messung der Topografie einer Probe verwendet. Im Kraftspektroskopiemodus wird der Cantilever verwendet, um die Kraft zwischen der Spitze und der Probe zu messen. Der Tapping-Modus wird zur Messung der Steifigkeit der Probe verwendet.
Rasterelektronenmikroskope (SEM) und Rasterkraftmikroskope (AFM) sind beides Mikroskopietechniken, mit denen hochauflösende Bilder von der Oberfläche von Objekten gewonnen werden.
Das REM funktioniert, indem die Oberfläche eines Objekts mit einem Elektronenstrahl beschossen wird und dann die von der Oberfläche gestreuten Elektronen erfasst werden. Das Muster der gestreuten Elektronen wird dann verwendet, um ein Bild der Oberfläche des Objekts zu erstellen.
Das AFM hingegen verwendet einen Ausleger mit einer scharfen Spitze, um die Oberfläche eines Objekts abzutasten. Die Spitze wird in unmittelbare Nähe der Oberfläche gebracht, und die Kräfte zwischen der Spitze und der Oberfläche werden gemessen. Diese Kraftmessungen werden dann verwendet, um ein Bild der Oberfläche des Objekts zu erstellen.