Rasterkraftmikroskopie (AFM)
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM – atomic force microscopy) ermöglicht hochauflösende Oberflächen- und Materialanalysen. Mit AFM-Messungen können Oberflächentopographie und Materialeigenschaften mit Auflösungen im Nanometerbereich untersucht werden. Typische Oberflächenstrukturen, Leitfähigkeit, Adhäsionskraft, Elastizitätsmodul, magnetische und elektrostatisch geladene Domänen des Materials werden mit hoher Ortsauflösung bestimmt.
Wir führen als Steinbeis-Transferzentrum AFM-Messungen als Dienstleistung durch.
Wozu dient die Rasterkraftmikroskopie(AFM)?
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM – Atomic Force Microscopy) ist eine hochauflösende mikroskopische Technik, die zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen auf der Nano- bis Subnanometerskala eingesetzt wird. Sie wird verwendet, um die topografische Beschaffenheit von Materialien sowie ihre mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften zu analysieren.
- Topografie – Höhenprofil der Oberfläche mit Auflösung im Bereich von 0,1 bis 1 nm
- Rauheit – Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit im Nanometerbereich
- Adhäsion – Messung der Wechselwirkungen zwischen Spitze und Oberfläche (Kraftspektroskopie)
- Steifigkeit – Mechanische Eigenschaften wie Elastizitätsmodul
- Reibung – Untersuchung tribologischer Eigenschaften (Reibungskoeffizient)
- Elektrische Eigenschaften – Lokale Leitfähigkeit (C-AFM) und Ladungsverteilung (EFM)
- Magnetische Eigenschaften – Magnetkraftmikroskopie (MFM) zur Untersuchung magnetischer Domänen
Dienstleistungen
- Dreidimensionale Oberflächenmessungen
- Rauheiten und Stufenhöhen
- Laterale Verteilung von magnetischen Feldern
- Laterale Verteilung von elektrostatischen Feldern
- Mechanische Materialunterschiede
- Strom-Spannungs-Kurven
- Elektrische Leitfähigkeit (Widerstand)
Methoden
Topographie Oberfläche (AFM Messung)
Bei der Rasterkraftmikroskopie (englisch: AFM – atomic force microscopy) tastet eine an einer Blattfeder (Cantilever) befindliche Messnadel die Oberfläche ab. Das Rasterkraftmikroskop ist ein Rastersondenmikroskop und rastert mit einer Messspitze die Oberfläche der zu untersuchenden Oberfläche Zeile für Zeile ab. Wenn die Messnadelspitze mit einem Radius im Nanometerbereich sich der Oberfläche annähert, erhöhen sich die atomaren Wechselwirkungskräfte (van-der-Waals-Kräfte) zwischen Nadel und Oberfläche um eine Größenordnung. Neutrale Atome im Bereich eines interatomaren Abstandes ziehen sich mit den so genannten Dispersions- oder van-der-Waals-Kräften an. Diese Kraft wird umso größer, je kleiner der Abstand zwischen der Spitze und Messobjekt ist. Die Auslenkung wird mit einem Laser gemessen und aus dem Signal ein Maß für die Topographie berechnet.
Leitfähigkeitsmessungen (C-AFM)
Mit der leitfähigen Rasterkraftmikroskopie (C-AFM: conductive atomic force microscopy) oder stromabtastende Rasterkraftmikroskopie (CS-AFM: current sensing atomic force microscopy) wird die Topographie eines Materials und der elektrische Stromfluss am Kontaktpunkt der Spitze (Cantilever) gemessen. Durch die hohe Auflösung des Rasterkraftmikroskops ist es möglich topographische Stromkorrelationen zu bestimmen und somit die Oberflächenleitfähigkeit bzw. Oberflächenwiderstand ortsaufgelöst zu bestimmen.
Magnetkraftmikroskopie (MFM)
Die Magnetkraftmikroskopie (MFM: magnetic force microscopy) dient zur Untersuchung der lokalen Magnetfeldstärke an der Oberfläche. Dazu wird ein Cantilever verwendet, der eine ferromagnetische Beschichtung aufweist. Das Messignal wird nicht mehr nur durch mechanische Messnadelspitze, sondern durch die durch lokale Feldstärke wirkenden magnetischen Anziehungskräfte.
Kraftspektroskopie
Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) können sogenannte Kraft-Abstandskurve (Force-Distance-Curve) aufgenommen werden. Dazu wird ein kalibrierter Cantilever auf die Probe abgesenkt, mit definierter Kraft aufgedrückt und wieder entfernt. Aus dieser Kurve lassen sich Rückschlüsse auf die ortsaufgelösten Größen wie Adhäsionskraft an der Oberfläche und Elastizität (E-Modul) des Materials gewinnen.
Gerne erstellen wir Ihnen ein Angebot für Analysen mit der Rasterkraftmikroskopie.
Messmodi
CONTACT MODE
Das Rasterkraftmikroksop ann auf zwei verschiedene Arten messen. Im Contact-Mode wird die Spitze mit einer konstanten Kraft im nN-Bereich gegen die Oberfläche gedrückt und dann darüber gerastert. Dieser Modi wird auch als Constant-Force-Mode oder als Static-Force-Mode bezeichnet. Die Höhe wird durch das z-Piezoelement so reguliert, dass der Cantilever immer gleich stark gegen die Oberfläche gedrückt. Dadurch wird der Cantilever immer gleich stark verbogen, was mit einem Laser erfasst wird. Durch die konstante Kraft wird die Spitze des Cantilevers immer gleich stark von den Oberflächenatomen abgestoßen, so dass der Abstand immer gleich ist und man somit über die Bewegung des z-Piezoelements das Höhenprofil erhält. Diese Methode hat den Nachteil, dass durch den Kontakt zwischen Cantilever und Oberfläche es zu Beschädigungen kommt und zu Fehlmessungen (Artefakte).
NON CONTACT MODE
Im Non-Contact-Mode (Dynamic-Modus) wird der Cantilever mit einer bestimmten Frequenz angeregt. Durch die Kräfte zwischen dem Cantilever und der Oberfläche verändert sich in Abhängigkeit des Abstandes die Schwingung bzw. die Amplitude bei konstanter Anregungsfrequenz. Die Schwingbewegung wird mit einer Photodiode detektiert und aus der Frequenz- bzw. Amplitudenveränderung die Distanz bestimmen. Die Anregungsfrequenz wird in der Nähe der Resonanzfrequenz so gewählt, dass die Veränderung der Amplituden durch Beeinflussung der Frequenz am größten ist, d.h. wo die Resonanzkurve die größte Steigung hat.