Modul PC-MPR-1

Praktikum Physikalische Chemie V

Versuch 3:

Rasterkraftmikroskopie

Betreuer: Michael Schranz

AG Prof Dr. N. Hampp

Version vom 12.10.2009

1

Inhaltsverzeichnis

Einführung 3

A. Theorie 3

1. Physikalische Grundlagen 3

1.1. Zwischenmolekulare Kräfte 3

1.1.1. VAN-DER-WAALS-Kräfte 4

1.1.2. Abstoßungskräfte 5

1.1.3. Das LENNARD-JONES-Potential 5

1.2. Der quantenmechanische Tunneleffekt 6

2. Technische Aspekte - Aufbau von SXM 7

2.1. Positionierung 8

2.1.1. Der piezoelektrische Effekt 8

2.1.2. Feinsteuerung 9

2.1.3. Grobsteuerung 10

2.2. Schwingungsdämpfung 10

2.2.1. Externe Einflüsse 10

2.2.2. Interne Einflüsse 10

2.3. Steuerung 10

3. Arbeitsweise verschiedener Rastersondenmikroskope 11

3.1. Rasterkraftmikroskop 11

3.1.1. Auflagemodus 11

3.1.1.1. Mode konstanter Kraft 12

3.1.1.2. Mode konstanter Höhe 12

3.1.2. „Non-contact“-AFM 13

3.2. Rastertunnelmikroskop 13

3.2.1. Mode konstanten Tunnelstromes 13

3.2.2. Mode konstanter Höhe 13

3.3. Weitere SXM 14

4. Kraftspektroskopie 14

4.1. Allgemeines 14

4.2. Prinzip der Kraftspektroskopie 15

4.3. Durchbiegungsempfindlichkeit und Kraftkonstante 16

4.4. WLC-Fit 16

2

B. Aufgaben 17

C. Versuchsdurchführung 18

5. TopoMetrix 18

5.1. Vorbereitung von Probe und Sonde 18

5.2. Messung 19

5.3. Datenauswertung 19

5.4. Wechsel des Scanners 19

6. NanoScope 20

6.1. Vorbereitung von Probe und Sonde 20

6.2. Messung 21

6.3. Datenauswertung 21

D. Literatur 21

E. Anhang 22

3

Einführung

Rasterkraft- (atomic oder scanning force microscope - AFM, SFM) wie auch das zuerst entwickelte

Rastertunnelmikroskop (scanning tunneling microscope - STM) sind Instrumente, mit denen eine

hochaufgelöste Abbildung einer Oberfläche - ähnlich einem Lichtmikroskop, jedoch mit viel höherer

Vergrößerung - möglich ist. AFM und STM bedienen sich jedoch „nichtoptischer Effekte“. Eine

Verallgemeinerung dieser Messmethoden stellt der Begriff Rastersondenmikroskop dar (SXM). Wie der

Name schon andeutet, wird bei diesen Verfahren eine Sonde, ähnlich dem Elektronenstrahl eines

Fernsehgerätes oder Rasterelektronenmikroskopes, zweidimensional über eine Oberfläche bewegt. Je nach

Beschaffenheit der Sonde lassen sich in der dritten Dimension Eigenschaften der Oberfläche im Realraum

abbilden.

Die Auflösung optischer Mikroskope wird durch Lichtbeugungseffekte und die Wellenlänge des

verwendeten Lichtes begrenzt. Es werden nur Punkte mit einem Abstand d≥/2 aufgelöst. Mit heutigen

Rasterelektronenmikroskopen erreicht man hingegen Auflösungen bis in den nm-Bereich, mit

höchstauflösenden Transmissionselektronenmikroskopen wird sogar der Bereich atomarer Abstände (bei

regelmäßiger Anordnung der Atome im Kristallverband) zugänglich. Dies wird jedoch mit größerem

apparativem Aufwand erkauft. Mit AFM und STM aber lassen sich einzelne Atome oft recht schnell und

einfach abbilden, dies sogar unter atmosphärischen Bedingungen oder auch in Lösung. Die Auflösung

beträgt typischerweise ≤1 Å lateral und ≤0,1 Å vertikal.

Die der Rastertunnelmikroskopie zugrundeliegenden Effekte sind schon seit der Entwicklung der

Quantentheorie bekannt (> 60 Jahre). Erste Versuche, mittels einer Spitze die Topographie von

Metalloberflächen zu erkunden, wurden 1971 von YOUNG und Mitarbeitern [1] unternommen. Die erzielte

Auflösung betrug 3 nm vertikal und 400 nm horizontal. Die Hauptursache für diese geringe Auflösung

bestand in dem relativ großen Abstand zwischen Spitze und Probe (≥20 nm). Kleinere Abstände, wie sie für

Tunnelprozesse notwendig sind (einige Å), ließen sich damals aufgrund von Schwingungseinflüssen nicht

realisieren. Eine erfolgreiche Kombination von Vakuumtunneln und piezoelektrischem Antrieb zu einem

STM wurde 1981 von G. BINNIG, H. ROHRER und Mitarbeitern [2] im IBM-Forschungslabor in Rüschlikon

(Schweiz) demonstriert. BINNIG und ROHRER erhielten dafür im Jahr 1986 zusammen mit E. RUSKA

(Entwicklung des Elektronenmikroskops) den Nobelpreis für Physik. In demselben Jahr bauten beide auch

das erste AFM, mit dem - im Gegensatz zum STM - auch Oberflächen nicht- oder nur schlecht-leitender

Materialien mit hoher Auflösung untersucht werden können.

A. Theorie

1. Physikalische Grundlagen

1.1. Zwischenmolekulare Kräfte

Mit dem AFM ist es möglich, auf einer Längenskala von 10-11

bis 10-7

m elektromagnetische Kräfte zwischen

Oberflächen zu messen bzw. zur Untersuchung von Oberflächen zu nutzen. Einige der am häufigsten

herangezogenen Kräfte sind van-der-Waals-, Abstoßungs-, elektrostatische-, magnetische-, Reibungs- und

Adhäsionskräfte. Sie alle können mit einem einfachen Aufbau, der sich ursprünglich vom STM ableitet,

gemessen und/oder genutzt werden. Die Auflösung hängt beim AFM stark von diesen Kräften ab. Sie liegen

typischerweise zwischen 10-8

und 10-13

N. Das AFM ist aufgrund seiner vielfältigen Möglichkeiten heute

4

sehr weit verbreitet, insbesondere in den Bereichen industrielle Materialcharakterisierung und universitärer

Forschung. Gerade in der biologischen Forschung hat die Verbreitung von Rasterkraftmikroskopen in den

letzten Jahren aufgrund der Möglichkeit, auch in Lösungen zu messen, enorm zugenommen.

Im Folgenden sollen die wichtigsten Kräfte kurz besprochen werden. Eine vollständige Darstellung ist hier

nicht möglich, der interessierte Leser sei auf die am Ende des Manuskriptes zusammengestellte Literaturliste

verwiesen.

1.1.1. VAN-DER-WAALS-Kräfte

VAN-DER-WAALS-Kräfte entstehen durch Wechselwirkungen zwischen:

a) zwei permanenten Dipolen,

b) Molekülen mit permanentem Dipolmoment mit solchen ohne (Dipol-induzierter Dipol,

Induktionseffekt)),

c) dipolfreien Atomen und Molekülen (Dispersionswechselwirkung).

Sind zwei permanente Dipole in schneller thermischer Bewegung, so können sie sich verschieden zueinander

orientieren. Gegeneinander orientierte Dipole ziehen sich an. Diese Anziehung wird durch

(1)

beschrieben. Bei U0 handelt es sich um das Potential, μ1 und μ2 sind die Dipolmomente der Moleküle und r

ihr Abstand.

Die DEBYE-Theorie berücksichtigt auch den Induktionseffekt, den ein permanenter Dipol auf ein dipolfreies

Atom oder Molekül ausübt. Unter Berücksichtigung der Polarisierbarkeit 2 des Teilchens, in dem das

Dipolmoment induziert wird, ergibt sich eine zu r-6

proportionale potentielle Energie UI:

(2)

Im zeitlichen Mittel dipolfreie Teilchen haben kurzfristig durch asymmetrische Elektronenverteilungen

kleine Dipolmomente (z.B. Argonatome). Durch trägheitsfreie Verschiebungspolarisation wird in

benachbarten Teilchen ein gleichgerichtetes Dipolmoment induziert. Die entstehende kurzzeitige

Anziehungskraft ist die Dispersionskraft. Für diese Wechselwirkung ergibt sich ein ähnlicher

Zusammenhang:

(3)

Dieser konnte experimentell bestätigt werden (z.B. [3]).

Das gesamte Anziehungspotential Uan setzt sich aus den Anteilen von Orientierung, Induktionseffekt und

Dispersion zusammen:

(4)

Im Fall makroskopischer anziehender Wechselwirkungen, wie sie für eine Probenoberfläche und eine AFM-

Spitze als Wechselwirkung zwischen einer Ebene und einer Kugel näherungsweise angenommen werden

kann, darf nicht überraschen, dass dieses Potential nicht mehr in seiner ursprünglichen Form gilt. Vielmehr

5

muss über die betrachtete Geometrie integriert werden. Als Ergebnis für den betrachteten Modellfall Kugel-

Ebene erhält man so für das anziehende VAN-DER-WAALS Potential [4]

(5)

mit dem Kugelradius R, dem Abstand r zwischen Kugel und Ebene, ihren Teilchendichten 1 und 2 , der

LONDONschen Dispersionskonstanten C als Koeffizienten des Atom-Atom-Paarpotentials (im einfachen

VAN-DER-WAALS Potential) und der HAMAKER-Konstanten A. Die anziehende Wechselwirkung ist somit nur

noch umgekehrt proportional zum einfachen Abstand der makroskopischen Körper.

1.1.2. Abstoßungskräfte

Bei sehr kleinen Abständen zwischen den Teilchen kommt es aufgrund der Wechselwirkungen zwischen

positiven Atomkernen und der Überlappung der Elektronenhüllen (PAULI-Verbot) zu einer Abstoßung.

Derzeit existiert allerdings keine exakte mikroskopische Beschreibung dieser Kräfte, welche zu einer

analytischen Lösung führen könnte. Verschiedene Beziehungen wurden postuliert, und alle haben zwei

Charakteristika gemeinsam: die kurze Reichweite und die starke Abstandsabhängigkeit.

So gilt z.B. für das Harte-Kugel-Potential

(6)

mit n=∞. Ist r<, so ist das Potential unendlich groß, für r> wird es Null. Bei handelt es sich um den

Harte-Kugel-Radius der Atome (z.B. 0,188 nm für Argon), r ist der Teilchenabstand.

In VAN-DER-WAALS-Systemen wird häufig ein Potenzgesetz der Form

(7)

für die abstoßenden Wechselwirkungen angenommen. Aber auch eine exponentielle Form kann zur

Beschreibung herangezogen werden:

(8)

c, und 0 sind anpassbare Konstanten, 0 beträgt typischerweise um 0,02 nm.

Potenz- und eher sogar noch das Exponentialgesetz beschreiben das abstoßende Potential realistischer als das

Harte-Kugel-Potential, da sie eine Kompressibilität der Atome berücksichtigen.

1.1.3. Das LENNARD-JONES-Potential

Anziehendes und abstoßendes Potential kann man zu einem Gesamtwechselwirkungspotential

zusammenfassen. Nimmt man dazu das Potenzgesetz für die abstoßende Wechselwirkung und setzt den

Exponenten gleich 12, erhält man mit den Gleichungen (4) und (7) mit dem (12,6)-Potential einen Spezialfall

des LENNARD-JONES-Potentials:

(9)

Dabei beträgt das Potential dann den Wert Null, wenn r=0 ist. Bei r=21/60 wird das Potential minimal, das

System befindet sich im Gleichgewicht. Für den Fall der Wechselwirkung zwischen Edelgasatomen lässt sich

mit diesem Potential gut rechnen.

6

Um die Wechselwirkung zwischen einer AFM-Spitze und einer Probenoberfläche zu beschreiben, muss man

jedoch die Gleichungen (5) und (7) zusammenfassen, man erhält

(10)

Betrachtet man diese Beziehung etwas genauer, so fällt auf, dass im Auflagemodus (s. Kap. 1.3.1.) die

vordersten Spitzenatome eine abstoßende Kraft erfahren, während die Atome in den nächsten Atomlagen

hingegen angezogen werden können. Der sehr starke Anstieg der Abstoßungskräfte hat zur Folge, dass eine

extrem hohe laterale Auflösung im AFM erreicht werden kann, und bei einer Vielzahl von kristallinen

Verbindungen konnte die Gitterstruktur der Oberfläche aufgelöst werden (z.B. auf MoS2, s. Abb. 1).

Allerdings handelt es sich bei dieser hohen Auflösung nicht um echte atomare Auflösung. Kristallgitter

weisen aus thermodynamischen Gründen eine Vielzahl von Defekten auf. Mit einem AFM im Auflagemodus

konnten diese Defekte bisher nicht nachgewiesen werden. Dies liegt daran, dass bei der Wechselwirkung

zwischen Spitze und Probe auch die zweite, dritte, usw. Atomlage zu der Gesamtwechselwirkung beitragen.

Dadurch wird der Einfluss eines atomaren Defektes auf der Oberfläche einfach herausgemittelt.

1.2. Der quantenmechanische Tunneleffekt

Ganz anders verhält sich dies im Rastertunnelmikroskop. Dies liegt an der etwas anderen

Abstandsabhängigkeit der ihm zugrunde liegenden Messgröße, des Tunnelstroms. Dieser soll zunächst kurz

erläutert werden.

Ein Teilchen, welches durch eine Potentialbarriere endlicher Höhe und Breite eingeschlossen ist, kann nach

den Vorstellungen der klassischen Mechanik den Potentialtopf nicht verlassen. Aus quantenmechanischer

Sicht wird der Aufenthaltsort eines Teilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt durch eine Wahr-

scheinlichkeitsverteilung beschrieben. Das bedeutet, dass ein Teilchen, welches sich nach klassischer Be-

trachtungsweise im Potentialkasten befindet, auch mit einer - wenn auch geringen - von Null verschiedenen

Wahrscheinlichkeit auf der anderen Seite der Potentialbarriere anzutreffen ist (Abb. 2). Dieses

nichtklassische Verhalten nennt man quantenmechanischen Tunneleffekt. Tunneln Elektronen durch eine

Potentialbarriere, entsteht ein messbarer Strom.

Abb. 1: AFM-Aufnahme von MoS2.

7

Bei der Rastertunnelmikroskopie tunneln Elektronen durch einen schmalen Spalt (i.a. durch Luft oder im

Vakuum) zwischen Spitze und Probe. Die äußere Spannung, mit der üblicherweise gearbeitet wird, beträgt

bei Metallen zwischen 0,01 und 0,1 V, bei Halbleitern bis etwa 2 V.

Der daraus resultierende Tunnelstrom beträgt etwa 1 nA. Die Wahrscheinlichkeit für einen Übergang der

Elektronen kann man aus dem Grad der Überlappung der Wellenfunktionen der beteiligten Energieniveaus

und deren Besetzungswahrscheinlichkeiten berechnen. Daraus ergibt sich für kleine Spannungen U in erster

Näherung eine lineare Abhängigkeit zwischen Stromstärke I und angelegter Spannung sowie eine

eponentielle Abhängigkeit des Tunnelstromes vom Abstand d zwischen Spitze und Probenoberfläche:

(11)

Die Konstante k hängt vom mittleren Potential zwischen Spitze und Probe ab. Der exponentielle

Zusammenhang zwischen Tunnelstrom und Abstand d hat zur Folge, dass in erster Näherung 90% des

Tunnelstromes über das vorderste Spitzenatom fließen, die restlichen 10% verteilen sich auf tiefer liegende

Atomlagen. Daher ist es leicht einsichtig, dass atomare Fehlstellen mit einem STM entdeckt werden können

und somit echte atomare Auflösung mit diesem Gerät erreicht werden kann, wie auch Abb. 3 am Beispiel Si

(111) zeigt.

2. Technische Aspekte - Aufbau von SXM

Der allgemeine Aufbau eines SXM ist in Abb. 4 dargestellt. Es besteht aus Probe, Probenhalterung und

Probenpositionierung Sonde, Sondenhalterung (-positionierung), einer Schwingungsdämpfung sowie einer

Steuerungs- und Auswerteeinheit.

Sonde und Probe werden relativ zueinander bewegt und die Oberflächeneigenschaften durch die Sonde

gemessen. Die Positionierung wird oft mit Hilfe eines optischen Mikroskops oder einer am AFM an-

gebrachten Videokamera überwacht.

Abb. 2: Der Unterschied zwischen klassischer (oben) und Quantentheorie (unten), illustriert durch das Tunneln eines Teilchens durch eine Potentialbarriere.

Abb. 3: STM-Aufnahme von Si (111). Deutlich sind mehrere atomare Fehlstellen zu erkennen.

8

2.1. Positionierung

Die genaue Steuerung der Relativbewegung von Probe und Sonde wird i.a. durch zwei getrennte Systeme für

Grob- und Feinsteuerung realisiert.

2.1.1. Der piezoelektrische Effekt

Verschiedene Festkörper besitzen eine permanente Polarisation, welche auch ohne äußeres elektrisches Feld

existiert. Die ist z.B. bei Wachs der Fall. Schmilzt man Wachs auf und legt an die Schmelze ein starkes

elektrisches Feld an, so richten sich die Moleküle aufgrund ihrer Dipolmomente im Feld teilweise aus. Diese

Ausrichtung wird beim Abkühlen beibehalten, so dass sie auch im Festkörper auftritt. Auch wenn man das

elektrische Feld dann abschaltet, bleibt eine permanente Polarisation zurück. Ein Festkörper mit solchen

Eigenschaften nennt man Elektret.

Ein Elektret besitzt Polarisationsladungen an seiner Oberfläche. Diese werden aber i.a. von freien Ladungen

aus der umgebenden Luft mit der Zeit ausgeglichen, das Material wird entladen und es existiert kein

sichtbares elektrisches Feld mehr.

Die interne Polarisation bleibt aber noch erhalten. Auch einige kristalline Festkörper besitzen diese

Polarisation. In diesen Kristallen besitzt jede Elementarzelle ein identisches permanentes Dipolmoment (s.

Abb. 5). Alle Dipolmomente weisen in dieselbe Richtung, auch dann, wenn kein äußeres elektrisches Feld

angelegt ist. In solchen sog. ferroelektrischen Materialien fällt der Schwerpunkt der positiven Ladungen des

Kristalls nicht mit dem der negativen Ladungen zusammen.

Abb. 4: Schematischer Aufbau eines SXM.

Abb. 5: Komplexe Kristallgitter können eine permanente intrinsische Polarisation P besitzen (Ferroelektrizität).

9

Abb. 7: Rohrscanner.

Diese permanenten Dipolmomente können von außen beeinflusst werden. So können sie sich z.B. beim

Erhitzen eines Kristalls durch thermische Expansion verändern. Diesen Effekt nennt man Pyroelektrizität.

Ähnlich kann es sich verhalten, wenn man mechanischen Druck oder Zug auf den Kristall ausübt. Das

elektrische Feld ändert sich, diese Änderung ist messbar. Die Änderung der Polarisation durch mechanischen

Druck oder Zug nennt man Piezoelektrizität. Dieser Effekt ist umkehrbar, d.h. durch Anlegen eines

elektrischen Feldes an einen piezoelektrischen Kristall kann dieser zu Längenänderungen gezwungen werden

(inverser piezoelektrischer Effekt).

Alle ferroelektrischen Materialien sind gleichzeitig auch piezoelektrisch, umgekehrt gilt dies nicht. Ein

schematisches Beispiel zeigt Abb. 6. Quarz ist piezoelektrisch, aber nicht ferroelektrisch, Bariumtitanat

hingegen ist beides. Die Feinsteuerung erfolgt durch Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes. Als

Piezomaterialien werden Einkristalle (Quarz, BaTiO3) oder spezielle Keramiken (PZT: Pb(Zr1-xTix)O3)

eingesetzt. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes kommt es zu einer Längenänderung der

Piezoelemente. Man unterscheidet Längs- und Quereffekt:

Quereffekt (12)

Längseffekt (13)

Die Komponenten des Piezomoduls haben Werte von dzzx ≈ 6·10-10

m/V und dzzz ≈ -(1...3)·10-10

m/V

2.1.2. Feinsteuerung

Durch orthogonale Kombination von drei stabförmigen Piezobauelementen entsteht ein sog.

Dreibein (s. a. Abb. 4), welches von BINNIG und ROHRER für ihren Prototyp des STM nutzten.

Ein experimentell sehr attraktiver, weil einfacher Aufbau, lässt sich mit dem sog. Rohrscanner

(Abb. 7) verwirklichen. Er ermöglicht die Bewegung in drei Freiheitsgrade durch Anlegen einer

unsymmetrischen Spannungsverteilung. Rohrscanner zeichnen sich außerdem durch gute

mechanische Steifigkeit aus.

Ein Röhrchen aus in radialer Richtung polarisierter Keramik trägt auf der gesamten Innenfläche

eine und auf der Außenseite vier voneinander isolierte Elektroden. Eine Auslenkung in z-

Richtung erfolgt bei Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der inneren und allen äußeren

Elektroden. Verschiebungen in x- und y-Richtung erreicht man, indem die jeweiligen

gegenüberliegenden äußeren Elektrodenpaare bezüglich der inneren Elektrode auf

entgegengesetzte Potentiale gebracht werden (s. a. [5], S. 53).

Abb. 6: Ein mechanisch nicht beanspruchter Kristall habe eine dreizählige Symmetrieachse (links). Die Pfeile stehen für die Dipolmomente, deren Summe in jedem Schnittpunkt Null beträgt. Wird der Kristall einer mechanischen Spannung ausgesetzt, entsteht in der angegebenen Richtung eine Polarisation P (rechts). Die Summe der Dipolmomente verschwindet jetzt nicht mehr.

10

2.1.3. Grobsteuerung

Die Grobsteuerung kann über rein mechanische Systeme wie z.B. Hebel, Mikrometerschrauben o.ä. erfolgen.

Eine andere Möglichkeit, welche insbesondere unter UHV-Bedingungen eingesetzt wird, besteht in der

Verwendung piezoelektrischer Stellelemente auch hier.

2.2. Schwingungsdämpfung

Für den Betrieb von Rastersondenmikroskopen ist es notwendig, die Messsonde auf wenige Å Abstand (bis

hin zum leichten Kontakt im Falle des AFM) zur Probe zu bringen und dort zu stabilisieren. Das Messsignal

zeigt eine starke Abhängigkeit (beim STM exponentiell, beim AFM mit ca. 1/r (im non-contact mode)) von

der vertikalen und lateralen Position und ist somit ausschlaggebend für die hohe Auflösung der Instrumente.

Dies bedeutet aber auch, dass interne oder externe Einflüsse, die die relative Position der Sonde zur Probe

verändern können, für den hochauflösenden Betrieb vermieden werden müssen.

2.2.1. Externe Einflüsse

Trittschall, sonstiger Schall und Vibrationen (z.B. durch Kompressoren oder Fahrzeuge) werden durch

Wände, Fußböden und Luft auf das SXM übertragen. Die anregenden Frequenzen liegen im Bereich von

etwa 1…20 Hz. Zusätzlich besitzen die Gebäude Eigenschwingungen in diesem Frequenzbereich, abhängig

von Aufstellungsort und Etage. Diese störenden niederfrequenten Schwingungen müssen gedämpft werden.

Dabei muss das Dämpfungssystem so gewählt werden, dass die Eigenfrequenz des Systems unter der

Frequenz der zu dämpfenden Schwingung liegt. Gute Dämpfung wird durch Halterungen der Geräte an von

der Decke herabreichenden Gummiseilen, Aufstellung auf schweren Tischen, welche auf luftgefederten

Füßen stehen, Wirbelstrombremsen, Isolation mittels Viton-O-Ringen oder Kombinationen hiervon erzielt.

Die Dämpfungssysteme haben Eigenfrequenzen von unter 1 bis 5 Hz. Eine Isolierung gegen Luftschall kann

durch Ummantelung des Gerätes z.B. mit einer Kunststoff- oder Metallhaube erfolgen.

2.2.2. Interne Einflüsse

Bedingt durch die Bewegung der Sonde auf der Probe können Teile der Sonden- und Probenhalterung und

insbesondere der Positionierungseinheit zu Schwingungen angeregt werden. Die Resonanzfrequenzen dieser

Elemente lassen sich durch die Konstruktion und die verwendeten Materialien beeinflussen. Durch einen

kompakten Aufbau erreicht man hohe Resonanzfrequenzen (≥ 100 kHz). Liegt die Abtastfrequenz unter den

Resonanzfrequenzen, so erfolgt keine Anregung der Schwingungen.

Desweiteren können Instabilitäten durch unterschiedliche thermische Ausdehnung und Wärmekapazität der

verwendeten Bauteile auftreten. Eine sorgfältige Auswahl der Materialien, ein kompakter Aufbau sowie eine

genügend lange Equilibrierungszeit des Systems zur Verringerung thermischer Drift vermindern solche

Störungen.

2.3. Steuerung

Rastersondenmikroskope werden i.a. von A/D-, D/A-Wand lern und Computern entsprechend

untenstehendem Schema (Abb. 8) gesteuert. Für die Sonde wichtige Parameter (Auflagekraft,

11

Tunnelspannung, Vergrößerung) können direkt während des Scannens modifiziert werden. Die Ergebnisse

werden in Echtzeit auf dem Monitor dargestellt.

Besonders bei starken Vergrößerungen machen sich verschiedene Störungen trotz Dämpfung durch Rauschen

auf der graphischen Darstellung bemerkbar. Mittels der Software lässt sich eine Filterung z.B. durch ein-

oder zweidimensionale FOURIER-Transformationsverfahren durchführen, die besonders bei periodischen

Strukturen eine Verbesserung der Bildqualität liefert. Außerdem stellt die Software weitere Methoden zur

Bildverarbeitung und Bildauswertung zur Verfügung. Insbesondere bei Verwendung von Filtern darf man

jedoch nicht vergessen, dass durch deren Anwendung auch Information verloren gehen oder auch

vorgetäuscht werden kann.

3. Arbeitsweisen verschiedener Rastersondenmikroskope

3.1. Rasterkraftmikroskop

Mit dem AFM kann in verschiedenen Modi gearbeitet werden. Zunächst lassen sich zwei Typen

entsprechend den wirkenden Kräften unterscheiden. Die bei Kontakt auftretenden Kräfte folgen einem

Abstoßungsgesetz, weiter entfernt von der Oberfläche wirken schwache Anziehungskräfte (s. LENNARD-

JONES-Potential).

Abb. 8: Schematische Darstellung der Steuerung eines AFM.

Abb. 9: Schematische Darstellung der Funktionsweise eines AFM.

12

3.1.1. Auflagemodus

Beim AFM im Auflagemodus wird eine scharfe Spitze (Krümmungsradius ≤ 100 nm) auf die Probe

gedrückt. Diese Spitze besteht typischerweise aus Si oder Si3N4. Sie befindet sich am Ende eines

Federbalkens (s. Abb. 9). Mit Hilfe dieses Balkens, welcher an einem Substrat befestigt ist (die Herstellung

des gesamten sog. Cantilevers erfolgt mit Ätztechniken aus der Elektronikindustrie), kann die Spitze auf die

Oberfläche gedrückt werden.

Bei den heute kommerziell erhältlichen Geräten hat sich eine optische Nachweismethode zur Bestimmung

der Auflagekraft durchgesetzt. Der Licht strahl eines Lasers wird von der mit Gold bedampften Rückseite der

mikroskopischen Blattfeder reflektiert und von einer viergeteilten Photodiode detektiert. Die Bewegung der

Spitze und somit der Feder führt zu einer Veränderung des Reflektionswinkels und somit zu einer

Wanderung des Laserlichtfleckes auf der Diode. Dadurch liefern die beiden oberen Felder der Diode einen

anderen Photostromwert als die unteren beiden, das Differenzsignal stellt das Messsignal dar. Wie im Falle

des STM (s. Kap. 1.3.2) kann ein AFM dann in zwei unterschiedlichen Modi betrieben werden.

3.1.1.1. Mode konstanter Kraft

In der Mode konstanter Kraft wird über den Rückkopplungskreis beim Abtasten der Probenoberfläche das

Differenzsignal der Photodiode durch Nachregeln des z-Piezo konstant gehalten (s. Abb. 10). Dies entspricht

einem Konstanthalten der auf die Probe wirkenden Kraft. Die Steuerspannung des z-Piezo wird vom

Regelsystem dann in Höheninformation umgerechnet und entspricht (in erster Näherung) der Topographie

der untersuchten Probe.

3.1.1.2. Mode konstanter Höhe

Die Rückkopplung wird in diesem Arbeitsmodus abgestellt, der z-Piezo steht damit unter einer konstanten

Spannung. Beim Abtasten der Oberfläche wird nun die Blattfeder unterschiedlich - je nach Topographie der

Oberfläche - durchgebogen. Dadurch ändert sich der Reflektionswinkel und somit das gemessene

Differenzsignal (also die Kraft zwischen Spitze und Oberfläche). Messergebnis ist nun das Differenzsignal

der Photodiode, welche mit der Topographie näherungsweise übereinstimmt. Quantitative Aussagen über

Höhenprofile sind in diesem Modus jedoch nicht ohne weiteres möglich und bedürfen weiterer Messungen

(z.B. der Federkonstanten des Cantilevers). Dieser Modus eignet sich gut für glatte Ober flächen und

hochaufgelöste Aufnahmen, bei denen eine schnelle Abtastfrequenz vonnöten ist. Zur Untersuchung von

Höhenprofilen jedoch ist der Modus konstanter Kraft vorzuziehen.

Abb. 10: AFM in der Mode konstanter Kraft.

Abb. 11: AFM im Modus konstanter Höhe.

13

3.1.2. „Non-contact“-AFM

Im „non-contact“-Modus eines AFM bei einem Abstand Spitze-

Probe von 10…100 nm sind die durch die anziehenden

Wechselwirkungen hervorgerufenen Auslenkungen sehr klein und

können schlecht gemessen werden. Deshalb bedient man sich eines

anderen Verfahrens, um die wirksamen Kräfte zu messen.

Durch ein kleines Piezoelement (s. Abb. 12) wird die Feder in

Schwingungen nahe ihrer Resonanzfrequenz versetzt. Eine dann auf

die Feder wirkende äußere Kraft Fz ändert die effektive

Federkonstante k der Sonde:

(14)

Wegen (15)

(m: Masse der Feder, : Resonanzfrequenz) ändert sich daher auch

die Resonanzfrequenz der Feder und damit die Amplitude, welche

über die Auslenkung des Laserlichtpunktes über die Photodiode

gemessen wird. Alternativ dazu kann jedoch auch die beim

Annähern der Spitze an die Probe durch die Anziehungskräfte

verursachte Phasenverschiebung zwischen Anregungsschwingung und gemessener Schwingung als Signal

gemessen werden. Messergebnis ist letztlich wieder die Topographie der Probe, welche durch Nachregeln

des z-Piezos bei Messung des Rückkoppelparameters „konstante Amplitudendämpfung“ oder „konstante

Phasenverschiebung“ aus der an diesen Piezo angelegten Spannung erhalten wird.

3.2. Rastertunnelmikroskop

3.2.1. Mode konstanten Tunnelstromes

Diese Betriebsweise entspricht in etwa der Mode konstanter Kraft beim AFM. Die Spitze wird so über die

Probe bewegt, dass ein konstanter Tunnelstrom zwischen beiden fließt. Dies bedeutet (in erster Näherung)

gleichzeitig, dass der Abstand Spitze-Probe konstant gehalten wird. Die Elektronik benutzt einen Regelkreis,

um den Strom konstant zu halten. Nimmt der Strom zu, so wird die Spitze zurückgezogen; nimmt er ab, wird

sie angenähert. Die Messdaten, die in diesem Modus aufgezeichnet werden, entsprechen der Regelspannung,

die an den z-Piezo angelegt werden muss, um den Tunnelstrom konstant zu halten. Diese Spannung wird

dann in eine Höheninformation umgerechnet.

3.2.2. Mode konstanter Höhe

Auch hier ist die Analogie zum AFM leicht herzustellen; denn in diesem Betriebsmodus wird die

Tunnelspitze während des Rastervorgangs auf einer konstanten Höhe (d.h. die an den z-Piezo angelegte

Spannung bleibt konstant) über der Probenoberfläche gehalten. Die Messdaten ergeben sich aus der

Änderung des Tunnelstromes als Funktion der Abtastposition.

Wie im Falle des AFM eignet sich die Mode konstanter Höhe sehr gut für eine hohe Datenerfassungsrate, da

während des Abtastvorgangs kein elektronischer Regelkreis notwendig ist, der an jedem Abtastpunkt die

Abb. 12: Schematische

Darstellung eines "non-contact" AFM.

14

Höhe der Spitze nachregeln muss. Bei sehr unebenen Oberflächen ist dieser Betriebsmodus von Nachteil, da

es hierbei sehr schnell passieren kann, dass die Spitze in die Oberfläche hineingefahren wird. Hierfür eignet

sich dann besonders der Modus des konstanten Tunnelstromes. Für glatte Oberflächen und insbesondere

Auflösung im atomaren Bereich hingegen ist die Mode konstanter Höhe i.a. vorzuziehen.

3.3. Weitere SXM

In den letzten Jahren gab es eine Fülle von Folgeentwicklungen aus dem Rastertunnelmikroskop; STM und

AFM sind nur die gebräuchlichsten Typen.

Grundsätzlich kann jede Art der Wechselwirkung im sog. Nahfeld (d.h. im Bereich einiger nm von der Probe

entfernt) in einem SXM als Messgröße ausgenutzt werden. Von daher kann die große Zahl an

Neuentwicklungen nicht überraschen. Einige Beispiele sind das optische Rasternahfeldmikroskop (SNOM,

Auflösung derzeit <10 nm), das Raster-Wärme-Mikroskop (SThM, ca. 30 nm Auflösung),

Magnetkraftmikroskop (MFM), elektrostatisches AFM (EFM), akustisches Nahfeldmikroskop (SNAM) oder

das Raster-Ionenleitfähigkeits-Mikroskop (SICM, ca. 200 nm Auflösung). Zur Funktionsweise sei auf die

Literatur verwiesen [5].

4. Kraftspektroskopie

4.1. Allgemeines

Die geringen Kräfte, die zwischen einzelnen Molekülen auftreten, sind nur mit großem apparativem

Aufwand messbar. In den 70er Jahren konnten erstmals mit dem Oberflächenkraftapparat (SFA, surfaces

forces apparatus) Kräfte zwischen sehr glatten Oberflächen mit einer Auflösung von 10 pN bestimmt

werden. Die Entwicklung des AFM und seine Nutzung als Kraftspektroskop ist ein großer Fortschritt auf

diesem Gebiet. Mit dem AFM können Oberflächen mit hoher Auflösung abgebildet werden und gezielt

bestimmte Moleküle manipuliert werden. Bereits 1994 gelang es E.L. Florin et al. die Bindungskraft eines

einzelnen Liganden-Rezeptor-Paares zu bestimmen. In der Folgezeit konnten auch andere intermolekulare

Kräfte wie z.B. die Wechselwirkungen zwischen komplementären DNA-Strängen und Protein-DNA-

Komplexen analysiert werden.

Intramolekulare Kräfte wurden 1997 von M. Rief et.al. an dem linearen Polysaccharids Dextran bestimmt.

Dabei wurde an mehreren hintereinandergeschalteten Glukoseeinheiten das Umklappen einer einzelnen

Bindung des Polymerrückgrates von einer gauch- in eine trans-Konformation beobachtet. Mit der Technik

der Kraftspektroskopie wurde nun auch die Entfaltung von Proteinen möglich. Dies gelang erstmals an dem

modular aufgebauten Muskelprotein Titin (Abb. 13A).

15

F. Oesterhelt et al. gelang es im Jahr 2000, das deutlich kleinere und nicht modular aufgebaute Protein

Bakteriorhodopsin kraftspektroskopisch zu untersuchen (Abb. 13B). Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich

auch mit der Rückfaltung von Proteinen. M. Kessler et al. war es möglich, teilweise entfaltete

Bakteriorhodopsinmoleküle wieder in die Membran zurückzufalten und dabei die Faltungskräfte zu

bestimmen.

4.2 Prinzip der Kraftspektroskopie

Um ein Molekül kraftspektroskopisch untersuchen zu können, muss man es auf dem Probenträger

befestigen. Dies geschieht im Falle des Bakteriorhodopsins meist durch unspezifische Wechselwirkungen

zwischen Purpurmembranen und frisch gespaltenem Glimmer. Wird die AFM-Spitze nun auf das Substrat

gedrückt, beobachtet man bei einem Teil der Versuche eine unspezifische Ankopplung des Proteins an die

Spitze. Beim Zurückziehen der Spitze wird eine so genannte Kraft-Abstands Kurve (kurz Kraftkurve)

beobachtet. Die Kraftkurven zeigen folgenden Verlauf (Abb. 14): Die Spitze wird angenähert (1) und mit

einer bestimmten Kraft eine kurze Zeit auf das Substrat gedrückt (2). Kommt es zur Ankopplung, erhöht sich

beim Zurückziehen die Durchbiegung der Spitze, die über ihre Kraftkonstante in eine Kraft umgerechnet

werden kann (3). Erreicht man eine maximale Kraft (4), reißt das Substrat ab; die Durchbiegung entspricht

nun wieder dem Ausgangswert (5).

Abb. 13: A) Kraft-Abstands Kurve vom modular aufgebauten Muskelprotein Titin. Jeder Peak entspricht der Entfaltung einer Domäne. [aus M. Rief und H. Grubmüller, Physikalische Blätter 2001, 57(2), 55-61] B) Kraft-Abstands Kurve des Membranproteins Bakteriorhodopsin (Mitte), unten ist zu erkennen, dass ein Monomer extrahiert wurde. [aus F. Oesterhelt et al., Science 2000, 288, 143-146]

A B

Abb. 14: Verlauf des Kraftspektroskopie-Zyklus (Erklärung im Text)

16

4.3. Durchbiegungsempfindlichkeit und Kraftkonstante

Beim Annähern und Zurückziehen der Spitze von der Probe zeichnet die Software die Durchbiegung des

Cantilevers in Volt auf. Um die Kräfte zu berechnen, die beim Annähern und Zurückziehen der Spitze

wirken, benötigt man zwei Messgrößen: Die Durchbiegungsempfindlichkeit (englisch deflection sensitivity)

und die Kraftkonstante der Spitze.

Die Durchbiegungsempfindlichkeit sagt aus, wie weit sich der Cantilever bei einem bestimmten

Vertikalsignal des Photodetektors durchbiegt. Sie hängt von mehreren Faktoren wie der Beschaffenheit und

Lage des Cantilevers im Cantileverhalter und der Position des Laserstrahls auf der goldbedampften

Rückseite des Cantilevers ab. Daher muss die Durchbiegungsempfindlichkeit nach jedem Einsetzen der

Spitze und nach jeder Laserjustierung neu gemessen werden. Zur Bestimmung dieses Wertes wird die Spitze

auf eine harte Probe gedrückt, ohne diese einzudrücken. Aus der Steigung der resultierenden Kraftkurve

berechnet die Software automatisch die Durchbiegungsempfindlichkeit. Die Kraftkonstante des Cantilevers

wird über das thermische Rauschen berechnet.

Der Piezoweg gibt jedoch nicht den wahren Abstand zwischen Spitze und Probe wieder. Um die Kraft-

Abstands-Kurve zu erhalten, muss die Durchbiegung der Spitze in jedem Punkt von den Rohdaten

subtrahiert werden.

4.4. WLC-Fit

Die Gesamtlänge einer gemessenen Kraftkurve gibt den Abstand wieder, in dem sich das an die Spitze

angekoppelte Protein von der Spitze oder vom Probenträger löst. Es ist also aufgrund dieser Daten nicht

möglich, auf die Lage eines Strukturmerkmals innerhalb der Polypeptidkette zu schließen. Deshalb ist es

nötig, ein theoretisches Modell an die Messkurven anzupassen. Als besonders geeignet zur Beschreibung der

Elastizität von Proteinen und DNA-Strängen hat sich das WLC-Modell (wormlike chain = wurmartige Kette)

erwiesen:

(14)

Dabei ist die Zugkraft, x die Ausdehnung des Polymers, die Persistenzlänge und L die Konturlänge.

Die Persistenzlänge ist ein Maß für die Biegefestigkeit; sie ist ein empirischer Parameter und nicht mit realen

Strukturgrößen wie der Monomerlänge gleichzusetzen.

Die Konturlänge ist der Fitparameter; sie gibt die Länge an, auf die sich ein Polymer nach dem WLC-Modell

maximal dehnen lässt. Daher entspricht die Konturlänge eines Kraftkurvenabschnitts der Länge des bis zu

diesem Zeitpunkt gedehnten Polymerrückgrats.

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B. Aufgaben

Messaufgaben

Aufgabe 1: AFM Standard (TopoMetrix-AFM)

Auf der ersten zur Verfügung gestellten Probe befinden sich acht Felder A bis G (s. Anhang), auf denen

unterschiedliche Mikrostrukturen aufgebracht sind. Bestimmen Sie die Gitterkonstanten von zwei dieser

Strukturen durch Messung im Contact-Modus. Wie groß sind die Abweichungen?

Aufgabe 2: Atomare Auflösung (TopoMetrix-AFM)

Nehmen Sie die dritte Probe in höchster (atomarer) Auflösung auf. Bestimmen Sie anhand der Ihnen zur

Verfügung gestellten Gitterparameter von fünf verschiedenen Substanzen, welche Oberfläche Sie untersucht

haben.

Aufgabe 3: Purpurmembranen (NanoScope-AFM)

Auf dem Probenträger wurden Purpurmembranen abgeschieden. Nehmen sie mehrere Übersichtsbilder auf

und versuchen Sie molekulare Auflösung zu erreichen.

Aufgabe 4: Kraftspektroskopie (NanoScope-AFM)

a) Vergrößern sie eine der Purpurmembranen und nehmen sie mehrere Kraftkurven auf. Die Kurven, die

Bindungsereignisse zeigen sollen aussortiert und ausgewertet werden.

b) Zeichnen Sie die Maxima in ein Modell der Bakteriorhodopsinstruktur (siehe Anhang) ein. Warum

liegen die Barrieren an diesen Stellen?

Theoretische Aufgaben

Aufgabe 5: Wirkende Kräfte

a) Berechnen Sie die VAN-DER-WAALS-Kräfte zwischen zwei Argon-Atomen im LENNARD-JONES-

Potentialmodell. Zeichnen Sie die Potentialkurve U(r) und die Kraftkurve F(r) als Funktion des

Abstandes.

b) Berechnen Sie die Kräfte einer typischen kovalenten Bindung (HCl) über das Morse Potential.

Zeichnen Sie die Potentialkurve und die Kraftkurve als Funktion des Abstandes.

c) Der Umrechnungsfaktor Sensorsignal-Auflagekraft für die Ihnen zur Verfügung gestellte AFM-Spitze

(Messaufgaben 1 und 2) beträgt 0,1 nN/nA. Bestimmen Sie mit diesem Wert die absolute Auflagekraft,

nachdem Sie zum ersten Mal die Spitze ins Feedback gebracht haben.

d) Vergleichen Sie die berechneten Kräfte mit der Auflagekraft. Welche Auswirkungen ergeben sich für

die AFM-Messungen?

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C. Versuchsdurchführung

5. TopoMetrix

Das System TOPOMETRIX EXPLORER ist für verschiedene Anwendungen der Rastersondenmikroskopie

konzipiert. Modularer Aufbau gestattet den Betrieb als STM, AFM u.a.

In der ausgeführten Variante liegt ein Rasterkraftmikroskop vor. Die Auslenkung der Sondenspitze wird über

Reflektion eines Laserstrahles (s.a. Abb. 8) und durch Auswertung des Signals eines Vierfeldsensors

gemessen. Das AFM TOPOMETRIX EXPLORER besteht aus einer in x- und y-Richtung manuell

verschiebbaren Basisplatte, auf dem die Probe befestigt werden kann, einem kompakten Messkopf, in den

Scanner, Laser, Photodetektor, CCD-Kamera zur Beobachtung des Scanvorgangs und Justierungsschrauben

integriert sind, elektronischer Steuereinheit sowie einem PC für die Auswertung und Darstellung der Daten.

Ein weiterer kleiner Monitor zeigt das Bild der CCD-Kamera.

5.1. Vorbereitung von Probe und Sonde

Die Proben für das AFM werden auf ein Stahlplättchen (Kantenlänge bzw. Ø 10 mm) aufgeklebt. Dieses

wird magnetisch auf dem Probenhalter gehalten. Das Auflegen der (vorbereiteten) Proben erfolgt bei

abgenommenem Sondenkopf. Die Proben selber sind i.a. sogar in mikroskopischen Dimensionen eben.

Programmaufruf

Direkt nach Einschalten des Programms ist der Teil Datenauswertung bereits aktiviert). Nach dem Start des

Teilprogrammes „Image Acquire“ wird durch Anklicken des entsprechenden Feldes der verwendete Scanner

eingestellt. Es ist wichtig festzustellen, welcher Scanner verwendet wird, da die für die Piezoelemente

benötigten Spannungen verschieden sind, zu hohe Spannungen aber unbedingt vermieden werden müssen!

Durch vorsichtiges Abheben des Sondenkopfes ist der Scannertyp erkennbar. Dabei muß beachtet werden,

dass der Halbleiterlaser ausgeschaltet sein muss, um Schäden an Augen zu verhindern. Der 2-μm Scanner ist

als Rohrscanner ausgeführt, vom 150-μm Scanner ist nur der z-Piezo zu erkennen.

Durch Betätigung der entsprechenden Fenster wird die richtige Steuerspannung für den eingebauten Piezo

gewählt und das Programm aktiviert.

Laserjustierung

Der Laser wird auf die rechte der beiden Spitzen justiert und der Umlenkspiegel so eingestellt, dass das

SUM-Signal (alle 4 Sektoren des Photodetektors addiert) möglichst hoch ist. Zur Vorbereitung der Messung

wird das Signal auf T-B eingestellt und der Spiegel so verdreht, dass der Signalwert ca. -20 nA beträgt. Bei

Annäherung der Spitze an die Probe kann dieser Wert sich verändern, der Horizontalspiegel muss dann

gegebenenfalls nachgestellt werden, solange die Oberfläche von der Spitze noch nicht berührt wird.

Bewegen der Probe und automatische Annäherung

Die Probe kann nur manuell durch die beiden Mikrometerschrauben in der Basisplatte gegenüber der Spitze

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verschoben werden. Dabei muss der Abstand Spitze-Probe auf dem Monitor kontrolliert werden!

Die automatische Annäherung (Feld „Tip Approach”) kann erfolgen, wenn der Abstand zwischen

Sondenspitze und Probenoberfläche gering ist (im Monitorbild verschmelzen die Spitze und ihr Schatten).

5.2. Messung

Scannen

Für das Scannen wird der Menüpunkt „Acquire” im Menü „Commands” oder das entsprechende Ikon

gewählt, wodurch der Scanvorgang gestartet wird. Es empfiehlt sich, zunächst bei ca. 1-2 Zeilen/s und

maximalem Bildausschnitt zu arbeiten.

Die optimale Größe der Scangeschwindigkeit sowie der Rückkopplungsparameter (Proportional, Integral)

sind auszuprobieren. Ein Kriterium für deren Güte sind z.B. die Qualität des Bildes sowie der RMS-Wert

(random mean square, möglichst klein) des „Internal Feedback”-Signals

Ausschnittsvergrößerung

Durch Verkleinerung des Parameters „Scan Range” kann ein Bildausschnitt vergrößert dargestellt werden.

Dabei gibt es für jeden Scanner sieben festeingestellte Scanbereiche, welche sich an der Mitte des Bildes

orientieren. Durch Wahl von „Zoom/Translate” kann aber auch der zu vergrößernde Ausschnitt willkürlich

festgelegt werden. Bei gedrückter linker Maustaste lässt sich dann im Scanbild die Größe des neuen

Ausschnittes festlegen. Wird die linke Maustaste losgelassen, lässt sich dieser Ausschnitt auf dem Bild

verschieben. Durch Betätigen der rechten Maustaste wird der gewählte Ausschnitt bestätigt.

Auch bei den Scanfenstern liegt in der Version 4.01.b6 ein Programmfehler vor. Für den großen Scanner

(150 μm) darf der Scanbereich 1 μm nicht gewählt werden, dies führt zum sofortigen Programmabsturz.

5.3. Datenauswertung

Dieser Programmteil wird im Hauptmenü durch den Befehl „Image Analysis” im Menü „Window” oder das

entsprechende Ikon aufgerufen. Es erlaubt Änderungen der graphischen Darstellung wie z.B. der Farbe,

Schattierung, 3-d-Darstellung, Filterung (1- und 2-d-FFT), Glättung, Nivellierung, Anbringen von

Beschriftungen u.v.a.m. Wie bereits erwähnt, kann weitergehende Bildbearbeitung wie z.B. FOURIER-

Filterung zum Verlust oder auch Vortäuschen von Information führen!

5.4. Wechsel des Scanners

Für verschiedene Auflösungsbereiche stehen unterschiedliche Scanner zur Verfügung. Das hier verwendete

System enthält zwei Scanner, einen Dreibeinscanner für einen Ausschnitt von maximal 150×150 (μm)2 und

einen Rohrscanner für 2,5×2,5 (μm)2 maximale Scanfläche.

Vor Durchführung von Aufgabe 6 muss der Scanner getauscht werden, denn für atomare Auflösung ist der

Rohrscanner zu benutzen. Vor dem Auswechseln des Scanners ist zunächst die Spitze aus dem Feedback

zurückzuziehen und der Laser auszuschalten. Nun kann die Spitze vorsichtig von dem Scanner entfernt

werden. Im Menü „Setup” ist sodann der Befehl „Scanner Select” zu wählen.

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Abb. 15: NanoScope-AFM

Der Sondenkopf wird nun abgenommen. Der Scanner ist mit vier Schrauben an dem Sondenkopf befestigt.

Diese Schrauben werden - ebenso wie die zugehörige Scannerverkabelung - vorsichtig gelöst und der

Scanner entfernt. Der andere Scanner kann nun eingesetzt und vorsichtig befestigt werden. Die Verkabelung

des Rohrscanners führt dabei zur Oberseite des Messkopfes, während der z-Piezo des Dreibeinscanners mit

den beiden (roten und orangen) Steckern an der Unterseite des Scanners verbunden ist. Wird der

Rohrscanner (notwendig für atomare Auflösung) benutzt, muss zusätzlich noch die Befestigungsschraube an

der Seite des Meßkopfes angezogen werden, um seitliche Bewegungen des Messsystems zu unterbinden.

Achtung: diese Schraube muss bei Verwendung des großen Scanners unbedingt gelöst sein, gerade um die x-

und y-Bewegung des Lasersystem und der Spitze zu gewährleisten!

Nach Einsetzen der AFM-Spitze muss der neue Scannertyp noch im entsprechenden Fenster der Software

ausgewählt werden. Da beide Scanner leicht unterschiedliche Dimensionen besitzen, muss der

Laserstrahlengang nun neu justiert werden.

6. NanoScope

Das NanoScope-AFM (Abb. 15) besitzt einen ähnlichen Aufbau wie das

TopoMetrix. Um noch rauschärmer messen zu können wird hier die Probe

bewegt, während die Position der Spitze konstant bleibt.

6.1. Vorbereitung von Probe und Sonde

Ein die Probe wird auf dem Scanner magnetisch fixiert und darauf geachtet, dass

beim Einsetzen der Spitze diese nicht beschädigt werden kann. Dazu muss die

Probe möglichst weit nach unten gefahren werden. Die Spitze wird je nach

Anwendung in eine normale Halterung oder in die Flüssigzelle, die Messungen in

Flüssigkeiten erlaubt, eingespannt. Nach dem Einsetzen der Halterung auf dem

Scanner wird der Laser auf ein der beiden Spitzen justiert und mit dem

Umlenkspiegel ein möglichst großes Summensignal eingestellt. Dabei die

vertikal und horizontalwerte nicht maximal (±9,68V) sein.

Bei Messung in Lösung muss die Beleuchtungslampe abgeschaltet werden, da die Probe sonst sehr schnell

eintrocknet. Außerdem muss mit eingesetzter Spitze und justiertem Laser mindestens 30min gewartet

werden, bis die Spitze thermisch equilibriert ist.

6.2. Messung

Zuerst wählt man einen Setpoint, der ca. 0,5V über dem Vertikal-Signal liegt. Mit dem roten Pfeil nach unten

(approach) startet man die automatische Annäherung der Spitze. Die Spitze wird soweit nach unten gefahren,

bis das Vertikal-Signal dem gewählten Setpoint entspricht. Nun kann man den Setpoint langsam verringern

um die Kraft mit der die Spitze auf die Probe drückt minimal zu halten.

Die Scanparameter (Feedbackparamter Integral und Proportional, Scangeschwindigkeit, Bildgröße,

Auflösung) müssen während der Messung optimiert werden. Da sich die Durchbiegung der Spitze auch nach

dem thermischen Equilibrieren weiter ändert muss auch der Setpoint ständig nachreguliert werden um eine

Beschädigung der Probe zu vermeiden.

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6.3. Datenauswertung

Die Bilder können über den Flatten-Befehl angepasst werden. Durch einen Rechtsklick auf ein Bild kann

man diese über Export/Imagedata als Bilddatei exportieren.

Kraftkurven können als ascii-file exportiert werden. Über andere Programme (Origin, Excel) muss nun die

Kraft in pN aus den Rohdaten (Deflection in nm) berechnet werden. Der Abstand in nm muss noch korrigiert

werden, indem die Durchbiegung des Cantilevers vom ausgegebenen Abstand abgezogen wird.

Die erhaltenen Kraftkurven müssen nun wie folgt angepasst werden:

I) Die Kraft nach dem Abriss des Moleküls von der Spitze muss durch Abzug eines festen Wertes auf

Null gesetzt werden.

II) Die Kurve muss auf der x-Achse so verschoben werden, dass der 2. Peak auf den ersten WLC-fit

(31,7nm, 88as) fällt

D. Literatur

a) zu Aufgabe 5

1. H. KUMAR WICKRAMASINGHE: ”Scanned-Probe Microscopes”, Scientific American Oct. 1989, 74-81.

2. H. FUCHS, „SXM-Methoden - nützliche Werkzeuge für die Praxis”, Phys. Bl. 50, 837-843 (1994).

b) zu diesem Text

1. R. YOUNG, J. WARD, and F. SCIRE, Rev. Sci. Instrum. 43, 999 (1972)

2. G. BINNIG and H. ROHRER, Helv. Phys. Acta 55, 726 (1982)

3. z.B. W.J. MOORE, D.O. HUMMEL, „Physikalische Chemie”, Walter de Gruyter, Berlin 1986, S. 1120-2

4. J. ISRAELACHVILI, ”Intermolecular and Surface Forces”, 2nd ed., Academic Press 1992, pp. 176.

5. C. HAMANN und M. HIETSCHOLD, „Raster-Tunnel-Mikroskopie”, Akademie-Verlag, Berlin 1991, S. 38-48.

c) Kraftspektroskopie

1. M. RIEF und H. GRUBMÜLLER, Physikalische Blätter 57(2), 55 (2001)

2. F. OESTERHELT et al., Science 288, 143 (2000)

d) Monographien

1. ”Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy”, D.A. BONNELL (ed.), VCH Publ., New York 1993.

2. ”Scanning Force Microscopy”, D. SARID, Oxford University Press, Oxford 1991.

3. ”Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy”, R. WIESENDANGER, Cambridge University Press, Cambridge 1994.

4. „Raster-Tunnel-Mikroskopie”, C. HAMANN und M. HIETSCHOLD, Akademie-Verlag, Berlin 1991.

5. ”Scanning Tunneling Microscopy”, Vols. 1-3, 2nd ed., R. WIESENDANGER and H.-J. GÜNTHERODT (eds.), Springer-

Verlag, Berlin 1995 and 1996.

6. ”Intermolecular and Surface Forces”, J. ISRAELACHVILI, Academic Press, London 1992.

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E. Anhang: AFM Standard

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Kristallparameter

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25

Purpur Membran (PM) und Bakteriorhodopsin (BR)

BR-Sekundärstruktur (Schema): 7α-Helices durchspannen die Membran

Purpurmembran: Hexagonaler 2D-Kristall