Image courtesy: WITEC GmbH  

Feinst ausgeprägter Tastsinn

Rasterkraftmikroskope liefern Forschern und Entwicklern höchstaufgelöste topografische Daten unterschiedlichster Proben wie Mineralien, Polymere, Gemische, Verbundwerkstoffe oder biologisches Gewebe. Mit Hilfe dieser in den 80er Jahren des vorigen Jahrhunderts entwickelten Technologie können die Anwender subatomar aufgelöste Abbildungen der Oberfläche von Proben erzielen.

Das Prinzip ist sehr einfach: eine auf wenige Atome spitz zulaufende, feine Nadel wird über das zu untersuchende Präparat gezogen. Zwischen dem äußersten Atom der Nadel und dem nächstgelegenen Atom der Oberfläche wirken atomare Kräfte. Die Krafteinwirkung der Oberfläche auf die Nadel wird laseroptisch gemessen.

Das Ulmer Unternehmen WITec GmbH hat eine spezielle Umsetzung des Prinzips entwickelt, bei der das so gewonnene Signal an die Regelung des Probentisches geleitet wird. Dessen Z-Position wird so eingestellt, dass immer die gleiche Kraft auf die Nadel wirkt. Damit liefert die Tischposition direkt die Koordinaten der Oberflächentopographie und der Probentisch wird zum absoluten Herzstück der Rasterkraftmikroskope von WITec.

Positionieren mit höchster Auflösung und Dynamik

Die Auflösung des Probenscanners muss im Sub-Nanometer-Bereich liegen, da das Positioniersystem die Ortsauflösung liefert. Diese enge Spezifikation wird unter anderem durch den Einsatz von kapazitiven Sensoren ermöglicht. Der mechanische Aufbau des Probentischs ist parallelkinematisch ausgelegt. Im Vergleich zu gestapelten Systemen werden die Trajektorien wesentlich präziser gefahren, ohne dass die Fehler einzelner Achsen sich addieren.

Gleichzeitig ist hohe Dynamik notwendig, denn je schneller die Topographienachführung in Z Richtung ist, desto schneller ist auch die Positionierung in x- und y-Achse möglich. Das verkürzt die Messdauer und reduziert auch eventuelle Temperatur-Drift, die sich zeitabhängig vergrößert. Von hoher Bedeutung sind zudem die großen Scanbereiche von bis zu 200 µm in X und Y.

WITec Gründer und Geschäftsführer, Dr. Olaf Hollricher bestätigt: „Die Kombination von sehr großem Scanbereich mit der hochpräzisen kapazitiven Regelung macht Physik Instrumente zu einem einzigartigen Partner für uns.“ Aber auch die ähnliche Philosophie beider Unternehmen sei ein großer Vorteil für die seit Gründung von WITec bestehende Kooperation.

Integration weiterer Mikroskopie-Modalitäten

Das System von WITec leistet jedoch noch mehr: Gleich zwei weitere Mikroskopie-Modalitäten können im Sinne von korrelativer Mikroskopie mit der Rasterkraftmikroskopie kombiniert und gemeinsam dargestellt werden: Raman Mikroskopie und Raster-Nahfeldmikroskopie (SNOM). Während die konfokale Raman Mikroskopie die chemischen Bestandteile der Probe identifiziert, wird die Raster-Nahfeldmikroskopie (SNOM) für die optische Bildgebung mit Auflösung jenseits der Beugungsgrenze verwendet. Grundlage für diese höchstauflösenden Verfahren ist dabei immer die hochpräzise Positionierung der Probe in allen drei Bewegungsachsen

Schlüsselrolle für den Scantisch

Bei der Probenpositionierung übernimmt der piezobasierte Scantisch eine Schlüsselrolle. Er ist ausgelegt für Verfahrwege von 100 oder 200 µm in den Achsen der Scanebene und 30 µm in Richtung der z-Achse und ermöglicht eine Positionsauflösung besser als 2 nm.

Zusätzlich erhöht die aktive Führung mithilfe kapazitiver Sensoren die Bahntreue: Die Sensoren messen eventuelle Abweichungen in der zur Bewegungsrichtung senkrechten Achse.

Ein ungewolltes Übersprechen der Bewegung in eine andere Achse kann so detektiert und in Echtzeit aktiv ausgeregelt werden. Die Digitalelektronik, die die entsprechende Ansteuerung übernimmt, arbeitet außerdem mit einer hohen Taktrate. Dies ist entscheidend für die genaue Zuordnung der Positionswerte des Scanners und der Aufnahmekamera.

Bahnbrechende Ergebnisse für zahllose Wissenschaftsdisziplinen

Ob forensische Analytik, Halbleitertechnik, Materialwissenschaften, Life Sciences oder Medizintechnik – um nur einige zu nennen – zahllose Disziplinen verdanken der Rasterkraftmikroskopie und deren Kombination mit Raman Mikroskopie und SNOM bahnbrechende Erkenntnisse.

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