Prinzip des Rasterkraftmikroskops (Abk. AFM für Atomic Force Microscope)

Ein Rasterkraftmikroskop ist ähnlich aufgebaut wie ein Rastertunnelmikroskop (STM) nur dass die Tunnelspitze durch einen Kraftsensor ersetzt ist. Das nebenstehende Bild zeigt eine scharfe Spitze knapp über der Probenoberfläche. Chemische, kurzreichweitige Kräfte wirken, sobald die Orbitale der Spitzen- und Oberflächenatome (sichelförmig) überlappen. Langreichweitige Kräfte (durch Pfeile gekennzeichnet) herrschen im kompletten Spitzenvolumen und an der Oberfläche und sind kritisch von der mesoskopischen Form der Spitze abhängig. Die potentielle Energy V_ts zwischen Spitze und Probe führt zu einer z-Komponente der Kraft zwischen Spitze und Probe F_ts = ∂V_ts / ∂z und dadurch zu einer Federkonstante k_ts= - ∂F_ts / ∂z. Abhängig von der Betriebsart des AFMs wird entweder F_ts oder ein von F_ts abgeleiteter Wert als bildgebendes Signal verwendet.

Anders als der Tunnelstrom, welcher nur sehr kurzreichweitig ist, hat F_ts kurz- und langreichweitige Anteile. Wir können diese Anteile durch ihre Reichweite und Stärke kennzeichnen. Im Vakuum gibt es kurzreichweitige Kräfte chemischer Art (Bruchteile von nm) und van der Waals, elektrostatische und magnetische Kräfte mit großer Reichweite (bis zu 100 nm). Unter Umgebungsbedingungen können zusätzliche Kräfte durch Adhäsionsschichten auf Spitze und Probe (Wasserfilm oder Kohlenwasserstoffe) vorhanden sein.

Deshalb muss die AFM vier zusätzliche Herausforderungen meistern:

1. Anziehende Kräfte verursachen ein Anschnappen der Spitze ("jump-to-contact")
2. Langreichweitige Hintergrundkräfte stören die Messung der kurzreichweitigen chemischen Kräfte
3. Die Kräfte als Funktion des Abstandes Spitze-Probe sind nicht monoton - dies erschwert die Abstandsregelung
4. Kleine Kräfte (nano-Newton) sind schwieriger zu messen als kleine Ströme (nano-Ampere)

Die Methode der frequenzmodulierten Rasterkraftmikroskopie (FM-AFM) hilft dabei, drei dieser Herausforderungen zu meistern. Die nichtmonotone Natur der Kräfte jedoch stellt weiterhin eine Komplikation in der Rasterkraftmikroskopie dar.

Das zentrale Element der Kraftmikroskopie und den Hauptunterschied zum Tunnelmikroskop stellt die Feder, welche die Kraft zwischen Spitze und Probe misst, dar. Um Kräfte senkrecht zur Oberfläche zu messen, sollte der Kraftsensor in zwei Richtungen steif und entlang der dritten Achse relativ elastisch sein. Diese Eigenschaft wird von einem Federbalken erfüllt und deshalb wird diese Geometrie vornehmlich für Kraftsensoren verwendet.