.

.

.

NORA 

Nora-Logo-Schrift1

.

Orientierung

Das Rasterkraftmikroskop (engl. atomic force microscope; Abkürzung AFM) wurde 1986 von den Naturwissenschaftlern Gerd Binning, Calvin Quate und Christoph Gerber entwickelt und gehört zur Familie der Rastersondenmikroskope. Dieses funktioniert nach dem gleichen Prinzip, wie wir Menschen mit unserem Tastsinn Objekte charakterisieren. Wir fahren mit unseren Fingerkuppen über das Objekt und sammeln Informationen, wie z.B. die Breite, die Länge oder die Oberflächenbeschaffung und erstellen mit diesen Informationen anschließend in unserem Gehirn ein Bild, ohne das Objekt jemals gesehen haben zu müssen. Da allerdings Nanopartikel zu klein für unsere menschlichen Sinne sind, wird anstatt des Fingers eine spitze Nadel verwendet, welche die Oberfläche, der zu untersuchenden Probe abrastert. Die dabei entstehenden Wechselwirkungen zwischen Nadel und Probenoberfläche werden aufgezeichnet, wodurch die äußere Gestalt bzw. die Oberfläche des Stoffes charakterisiert werden kann.

Erklärung

Das AFM funktioniert im Prinzip wie ein Plattenspieler. Hierbei wird eine am Cantilever, welcher einige Mikrometer breit und einige zehn Mikrometer lang ist, angebrachte Spitze über die Oberfläche der zu charakterisierenden Probe gefahren. Auf die Oberseite des Cantilevers ist ein Laserstrahl fokussiert, der je nach Verbiegung des Cantilevers in unterschiedlichen Winkeln abgelenkt und auf den Photodetektor (Photodiode) reflektiert wird. Dieses Prinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

 

Abbildung 1: Funktionsschema eines Rasterkraftmikroskops (Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Rasterkraftmikroskop)

Beim Abrastern der Oberfläche wird somit jedem Punkt in der xy-Ebene je nach Stärke der Ablenkung des Laserstrahls ein Helligkeitswert zugeordnet, wodurch am Bildschirm ein Falschfarbenbild des Oberflächenprofils der Probe erzeugt wird. Solch ein Falschfarbenbild ist in folgender Abbildung dargestellt.

 

Abbildung 2: Falschfarbenbild einer AFM-Charakterisierung (Quelle: http://psi.physik.kit.edu/img/AFM_Bahnen_3D_Schatten.jpg)

Die präzisen Bewegungen des Cantilevers werden mit Hilfe von Piezokristallen erreicht. Piezokristalle haben die Eigenschaft, sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung auszudehnen oder zusammenzuziehen, wodurch der Cantilever bis in den pico-Meter Bereich hinein detektiert und gesteuert werden kann. Bei der Steuerung des Cantilevers wird zwischen drei Betriebsarten unterschieden:

a) Contact Mode

Die Spitze ist ständig in physischen Kontakt mit der Probenoberfläche. Bei der Messung gibt es zwei unterschiedliche Verfahren. Entweder bleiben der Abstand zur Oberfläche (constant height) oder die wirkenden Kräfte zwischen Spitze und Oberfläche (constant force) gleich groß.

b) Non Contact Mode

In diesem Modus wird der Cantilever berührungslos in der Höhe, in der bestimmte Wechselwirkungen wie bspw. van der Waals Wechselwirkungen dominieren, gesteuert.

c) Tapping Mode

Bei dieser Betriebsart wird ein oszillierender Cantilever verwendet. Bei dieser Oszillation berührt die Spitze immer nur kurz die Probe. Diese Berührung führt zu einem Energieverlust der Oszillationsbewegung und reduziert dadurch die Schwingungsamplitude. Die verringerte Schwingungsamplitude wird in diesem Modus dazu benutzt, um die Oberflächen zu charakterisieren

Die Funktionsweise und Betriebsarten des AFM wird im folgenden Tutorial anhand von kleinen Videosequenzen näher erläutert:

Tutorial AFM

Handlungswissen

Im Grunde wird in Universitäten das AFM durch seine großen Anwendungsmöglichkeiten vielseitig verwendet. Daher erkundigt euch bei den zuständigen Laborassistenten vor Ort genau über das Vorgehen und Punkte, die bei der Charakterisierung beachtet werden müssen. Möchtet ihr die äußere Gestalt eurer synthetisierten Nanopartikel mit Hilfe des AFM charakterisieren, so solltet ihr folgende Punkte beachten:

1. Eure synthetisierten Nanopartikel müssen auf ein Deckglas pipettiert werden. Dieses Deckglas sollte unbehandelt aus der Packung entnommen und gegebenenfalls gereinigt werden.

2. Sucht den zuständigen Laborassistenten auf und bittet ihn, mit euch gemeinsam die Charakterisierung durchzuführen.

3. Da die Zeit am AFM kostbar ist, sollen die entstandenen Bilder im Nachhinein ausgewertet werden. Somit müssen die Dateien der Bilder auf einen Stick gezogen werden.

Aufgabe

Welche der folgenden Aussagen treffen auf das Rasterkraftmikroskop zu?

1. Bei dem Rasterkraftmikroskop wird der menschliche Tastsinn verwendet, um Informationen über die äußere Gestalt der Nanopartikel zu bestimmen.

2. Die geringen Bewegungen des Cantilevers werden durch Piezokristalle ermöglicht.

3. Es gibt zwei unterschiedliche Betriebsarten des AFM.

4. Das AFM erstellt ein echtes Bild der Nanopartikeloberfläche, wie es in herkömmlichen Mikroskopen der Fall ist.

5. Die Auslenkung des Cantilevers wird mit Hilfe eines Lasers und Photodetektors festgehalten.

Quellen für weitere Recherchen

Dissertation: AFM als Charakterisierungsmethode

Grundlagen des AFM

Wikipedia: Rasterkraftmikroskop

Welt der Physik: Rasterkraftmikroskopie

YouTube Video: Grundprinzip in 3D

YouTube Video: Durchführung der AFM-Charakterisierung

Literatur

Thiessen, W. (2010): Polymere und Nanopartikel: Verfahren für die Chemische Nanotechnologie. Dissertation, Dresden, Online verfügbar unter http://tud.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/6537/Dissertation.pdf, (Zugriff: 17.06.2014)

Schnell, E. (2002): Rasterkraftmikroskopie als Methode zur Charakterisierung amphiphiler Strukturen. Dissertation, Regensburg, Online verfügbar unter: http://epub.uni-regensburg.de/10067/1/Diss_E-Schnell.pdf, (Zugriff: 17.06.2014)

 

 

Go to top