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6.5.1997
Tapping-Modus
Wie sich weiche Oberflächen Raster-Sonden-mikroskopieren lassen
Der Sonderforschungsbereich 239 an der Universität Ulm, "Molekulare und kolloidale Organisation von Oligomeren und Polymeren", ging 1997 in das zehnte Jahr seiner Förderung. Er involviert rund 70 Ulmer Chemiker und Physiker nebst einer stattlichen Zahl an Diplomanden beider Fächer aus zehn Ulmer Universitätseinrichtungen; mehr als 70 Diplomarbeiten und über 30 Dissertationen wurden allein zwischen 1993 und der letzten Begutachtung 1995 abgeschlossen. Im Jahreskolloquium 1996 hatte der SFB 239 die "Raster-Sonden-Mikroskopie an Polymeren" thematisiert.
Überlagerung der Elektronenwolken
Prinzipiell sind die Techniken der Rastersondenmikroskopie (RSM bzw. englisch "Scanning Probe Microscopy", SPM) für praktische Anwendungen beispielsweise im Bereich der Materialforschung und -entwicklung hochinteressante Verfahren. Als ihre wichtigsten Vertreter gelten die Raster-Tunnel-Mikroskopie (RTM), die Raster-Kraft-Mikroskopie (RKM) und die optische Nahfeldmikroskopie (SNOM).
Raster-Tunnel-Mikroskope nutzen das quantenphysikalische Phänomen, daß zwischen zwei in minimalem Abstand (in der Größenordnung von nur wenigen Ångström) zueinander angeordneten elektrisch leitenden Körpern - im gegebenen Falle zwischen Probe und Mikroskopspitze - bei Anlegen einer Spannung Strom fließt. Dieser "Tunnelstrom" entsteht durch die gegenseitige Überlagerung der Elektronenwolken beider Körper und ist abhängig von der Größe des Abstands zwischen diesen, so daß beim zeilenweisen "Abscannen" bzw. "Abrastern" der Probenoberfläche mit der Mikroskopspitze aus den Veränderungen des Stromflusses auf das Profil, die Topographie der Oberfläche geschlossen werden kann - oft mit atomarer Genauigkeit.
Sensor am Federbalken
Anders als die Rastertunnelmikroskopie, erlaubt es die Rasterkraftmikroskopie, auch nichtleitende Oberflächen zu untersuchen. Als Sonde dient hier ein Kraftsensor in Gestalt einer feinen Spitze, die an einem Federbalken befestigt ist. Je nach Krafteinwirkung verbiegt sich dieser Federbalken; die Verbiegung wird detektiert und liefert das Bild der Oberfläche.
Die Wechselwirkungen zwischen Spitze und Probe sind verschiedenartig. Neben dem Höhen- und Tiefenprofil der Proben lassen sich auch deren chemische und mechanische Eigenschaften wie Reibung oder Elastizität studieren. Die Crux bei solchen Untersuchungen liegt darin, daß man zwar Kräfte und Auslenkungen im Nano-Newton- bzw. Nanometerbereich zu detektieren vermag, aber noch nicht weiß, welche chemischen und physikalischen Ursachen diesen zugrunde liegen. Oftmals beeinflussen sich Oberflächeneigenschaften auch gegenseitig, und erst eine ausgeklügelte Kombination von Messung und Rechnung liefert die gewünschten Informationen.
Hüpfende Sonde
Hat man es mit weichen Proben zu tun, so genügen bereits die beim herkömmlichen Abrastern auftretenden Scherkräfte, obwohl sie nur einige Nano-Newton betragen, um die empfindliche Oberfläche zu beschädigen. Deshalb wurde in Ulm der "Tapping-Modus" entwickelt, bei dem die Mikroskopspitze nicht kontinuierlich über die Probenoberfläche gezogen wird, sondern, durch eine Sinusschwingung moduliert, von Punkt zu Punkt hüpft. Da hier teilweise andere Kräfte und Wechselwirkungen auftreten als beim Scannen, müssen die gewonnenen Daten entsprechend anders interpretiert werden.
Obwohl noch viele grundlegende Fragen zu klären bleiben, sind die Wissenschaftler davon überzeugt, auch in der Polymerforschung rastersondenmikroskopisch arbeiten zu können. Sehr gelegen kommt ihnen dabei, daß sich die Hochleistungsmikroskope gut mit anderen Geräten kombinieren lassen. Gekoppelt mit einer Verstreckapparatur, bietet das Rasterkraftmikroskop beispielsweise die Möglichkeit, online die Oberflächenveränderungen von Polymeren unter mechanischer Belastung zu beobachten, und um die Temperaturabhängigkeit polymerer Oberflächeneigenschaften zu untersuchen, haben die Ulmer Experimentalphysiker ihr Rasterkraftmikroskop kürzlich mit einer speziellen Heizvorrichtung gekoppelt.
Criteria of this press release:
Mathematics, Physics / astronomy
transregional, national
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German
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