Rastersondenmikroskop

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 16. Dezember 2016
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Unter den Begriff Rastersondenmikroskop fallen eine Reihe von Mikroskopen und die dazugehörigen Messverfahren, die der Analyse von Oberflächen dienen. Damit zählen diese Techniken zur Oberflächen- und Grenzflächenphysik. Rastersondenmikroskope sind dadurch charakterisiert, dass eine Messsonde bei kleinem Abstand über eine Oberfläche geführt wird.

Inhaltsverzeichnis

Was ist ein Rastersondenmikroskop?

Als Rastersondenmikroskop werden sämtliche Arten von Mikroskopen bezeichnet, bei denen das Bild in Folge einer Wechselwirkung zwischen der Sonde und der Probe zustande kommt. Dadurch unterscheiden sich diese Verfahren sowohl von der Lichtmikroskopie als auch der Rasterelektronenmikroskopie. Hierbei werden weder optische noch elektronenoptische Linsen verwendet.

Beim Rastersondenmikroskop wird die Oberfläche der Probe mit Hilfe einer Sonde rasterartig Stück für Stück abgetastet. Auf diese Weise ergeben sich zu jeder einzelnen Stelle Messwerte, die schließlich zusammengesetzt werden, wodurch ein digitales Bild entsteht.

Das Rastersondenverfahren wurde erstmals im Jahr 1981 von Rohrer und Binnig entwickelt und vorgestellt. Es basiert auf dem Tunneleffekt, der zwischen einer metallischen Spitze und einer leitfähigen Oberfläche entsteht. Dieser Effekt bildet die Grundlage für sämtliche später entwickelten Verfahren der Rastersondenmikroskopie.

Formen, Arten & Typen

Es existieren verschiedene Arten von Rastersondenmikroskopen, die sich in erster Linie im Hinblick auf die Wechselwirkung zwischen der Sonde und der Probe unterscheiden. Den Ausgangspunkt bildete die Rastertunnelmikroskopie, die im Jahr 1982 erstmals eine atomar aufgelöste Darstellung von elektrisch leitfähigen Oberflächen ermöglichte. Während der folgenden Jahre entwickelten sich zahlreiche weitere Verfahren der Rastersondenmikroskopie.

Beim Rastertunnelmikroskop wird zwischen der Oberfläche der Probe und der Spitze eine Spannung angelegt. Gemessen wird der Tunnelstrom zwischen Probe und Spitze, die sich zudem nicht berühren dürfen. 1984 entstand zunächst die optische Nahfeldmikroskopie. Hier wird Licht ausgehend von einer Sonde durch die Probe gesendet. Beim Rasterkraftmikroskop wird die Sonde mittels atomarer Kräfte ausgelenkt. In der Regel werden dabei die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte genutzt. Die Auslenkung der Sonde weist dabei einen proportionalen Zusammenhang zur Kraft auf, die entsprechend der Federkonstante der Sonde ermittelt wird.

Die Rasterkraftmikroskopie wurde 1986 entwickelt. Zu Beginn arbeiteten die Rasterkraftmikroskope auf der Grundlage einer Tunnelspitze, die als Detektor fungiert. Diese Tunnelspitze ermittelt den tatsächlichen Abstand zwischen der Oberfläche der Probe und dem Sensor. Die Technik bedient sich der Tunnelspannung, die zwischen der Rückseite des Sensors und der Detektionsspitze besteht.

In der heutigen Zeit wurde dieses Verfahren weitgehend vom Detektionsprinzip abgelöst, wobei die Detektion mit Hilfe eines Laserstrahls erfolgt, der als Lichtzeiger fungiert. Dies wird auch als Laser-Kraftmikroskop bezeichnet. Zudem wurde ein Magnetkraftmikroskop entwickelt, bei dem magnetische Kräfte zwischen der Sonde und der Probe als Basis für die Ermittlung der Messwerte dienen.

1986 wurde auch das Rasterwärmemikroskop entwickelt, bei dem ein winziger Sensor als Rastersonde fungiert. Auch gibt es ein sogenanntes Optisches Rasternahfeldmikroskop, bei dem die Wechselwirkung zwischen Sonde und Probe aus evaneszenten Wellen besteht.

Aufbau & Funktionsweise

Unter den Begriff Rastersondenmikroskop fallen eine Reihe von Mikroskopen und die dazugehörigen Messverfahren, die der Analyse von Oberflächen dienen.

Prinzipiell haben sämtliche Arten von Rastersondenmikroskopen gemeinsam, dass sie die Oberfläche der Probe in einem Raster abtasten. Dabei wird die Wechselwirkung zwischen der Sonde des Mikroskops und der Oberfläche der Probe ausgenutzt. Diese Wechselwirkung unterscheidet sich je nach Art des Rastersondenmikroskops. Die Sonde ist im Vergleich zur untersuchten Probe riesig und dennoch in der Lage, die winzigen Oberflächenmerkmale der Probe festzustellen. Relevant ist an dieser Stelle insbesondere das vorderste Atom an der Spitze der Sonde.

Mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie sind Auflösungen von bis zu 10 Pikometern möglich. Zum Vergleich: Die Größe von Atomen bewegt sich im Bereich von 100 Pikometern. Die Genauigkeit von Lichtmikroskopen wird von der Wellenlänge des Lichts begrenzt. Aus diesem Grund sind bei dieser Art von Mikroskopen lediglich Auflösungen von etwa 200 bis 300 Nanometern möglich. Dies entspricht ungefähr der halben Wellenlänge von Licht. Daher wird bei einem Rasterelektronenmikroskop Elektronenstrahlung statt Licht verwendet. Indem die Energie erhöht wird, kann die Wellenlänge in der Theorie beliebig kurz gestellt werden. Eine zu kleine Wellenlänge würde jedoch die Probe zerstören.

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Medizinischer & gesundheitlicher Nutzen

Mit Hilfe eines Rastersondenmikroskops ist es nicht nur möglich, die Oberfläche einer Probe abzutasten. Stattdessen können auch einzelne Atome von der Probe entnommen und an einer festgelegten Stelle wieder abgesetzt werden.

Seit Anfang der 1980er Jahre schritt die Entwicklung der Rastersondenmikroskopie schnell voran. Die neuen Möglichkeiten zur verbesserten Auflösung von weit weniger als einem Mikrometer stellten eine wesentliche Voraussetzung für die Fortschritte in den Nanowissenschaften sowie der Nanotechnologie dar. Diese Entwicklung erfolgte insbesondere seit den 1990er Jahren.

Auf Basis der Grundmethoden der Rastersondenmikroskopie werden heutzutage noch zahlreiche weitere Untermethoden unterteilt. Diese machen sich verschiedene Arten der Wechselwirkung zwischen der Sondenspitze und der Probenoberfläche zu Nutze.

So spielen Rastersondenmikroskope eine wesentliche Rolle in Forschungsgebieten wie der Nanochemie, Nanobiologie, Nanobiochemie und Nanomedizin. Sogar zur Erkundung von anderen Planeten wie beispielsweise dem Mars kommen Rastersondenmikroskope zum Einsatz.

Rastersondenmikroskope bedienen sich einer speziellen Positioniertechnik, die auf dem sogenannten Piezoeffekt beruht. Die Apparatur zur Verlagerung der Sonde wird vom Computer aus gesteuert und ermöglicht eine hochexakte Positionierung. Dadurch können die Oberflächen der Proben kontrolliert abgerastert und die Messergebnisse zu einer enorm hochauflösenden Darstellung zusammengesetzt werden.

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