Kraftmikroskopie für Fortgeschrittene

Wir sind eine interdisziplinäre Gruppe von Kraftmikroskopie-Enthusiasten, die ständig die Grenzen dieser faszinierenden Mikroskopiemethode erforscht. Ziel ist es, die zugrunde liegende Physik von nanoskaligen Systemen zu verstehen. Ein Schwerpunkt liegt auf neuartigen Photovoltaik-Werkstoffen und daraus hergestellten Zellen (sogenannte Perovskit-Solarzellen). Hier haben wir neue Methoden entwickelt, um die Potentialverteilung über die verschiedenen Schichten einer Solarzelle zu untersuchen. Darüber hinaus waren wir die ersten, die die Existenz von ferro-elastischen Domänen in Perowskit-Filmen nachweisen konnten.

Um die Grenzen der Kraftmikroskopie zu erforschen, haben wir ein rauscharmes Mikroskop entwickelt. Dieses Gerät ist für den Betrieb in flüssigen Medien optimiert und kann die Oberflächentopographie mit atomarer Auflösung abbilden. Darüber hinaus bietet es eine sehr flexible Plattform für die schnelle Implementierung neuer Betriebsmodi einschließlich elektrischer oder photothermischer Anregung oder Multifrequenzanregung und -detektion.

Low noise SFM

Rauscharme Kraftmikroskopie (von links nach rechts): Vergleich der Rauschamplitude als Funktion der Frequenz auf einem kommerziellen und unserem selbstgebauten Kraftmikroskop (zu sehen auf dem Bild in der Mitte). 3D-Topographie-Reliefs der Atomstruktur einer Calcitoberfläche und der molekularen Struktur einer DNA Origami-Probe (mit freundlicher Genehmigung von T. Weil, MPI-P).

Was ist Kraftmikroskopie?

Ein Rasterkraftmikroskop (RKM), oft auch als Atomkraftmikroskop (atomic force microscope, AFM) bezeichnet, ist eine Vorrichtung, die die Kräfte zwischen einer winzigen und sehr scharfen Spitze und einer Probenoberfläche detektieren kann. Diese Kräfte entstehen aus der Wechselwirkung der Atome am äußersten Ende der Spitze und den Atomen auf der Probenoberfläche, z.B. über elektrostatische und van-der-Waals-Kräfte. Durch zeilenweises Abrastern der Oberfläche kann das RKM die Struktur unterhalb der Spitze "ertasten" und so die Oberflächentopographie rekonstruieren.

Um die Kräfte auf die Spitze zu detektieren, ist diese am Ende eines rechteckigen Siliziumbalkens befestigt, dem sogenannten Cantilever. Typischerweise ist ein RKM-Cantilever viel kleiner als ein menschliches Haar (siehe Bild unten). Jede Kraft auf die Spitze biegt den Cantilever nach oben oder unten. Diese Ablenkung wird durch einen Laserstrahl detektiert, der von der Rückseite des Siliziumbalkens reflektiert wird. Die Grenze für die Rauscherkennung ist das Rauschen im Auslenkungssignal. Dieses Rauschen besteht aus zwei Beiträgen:

  • Detektorrauschen: Rauschen durch Schwankungen der Laserintensität und des elektronischen Rauschens im Detektor. Dieser Beitrag kann durch das RKM-Design deutlich reduziert werden, wie in der oben beschriebenen Rauschgrafik gezeigt wird.
  • Thermisches Rauschen: thermische Fluktuationen lassen den Cantilever vibrieren (die beiden breiten Spitzen im Rauschgraph oben). Dieses Rauschen setzt das fundamentale Detektionslimit für einen gegebenen Cantilever.
SFM cantilever vs. human hair

Komm ins Team!

Ich bin stets auf der Suche nach motivierten und talentierten Kandidaten für Bachelor-, Master- und Doktorarbeiten sowie Postdocs. Leider gibt es derzeit aber keine offenen Doktoranden- und Postdocstellen in meiner Gruppe. Ich helfe aber gerne bei der Beantragung von Drittmitteln.

Kontakt

Stefan Weber
MPI für Polymerforschung, Physik der Grenzflächen
Ackermannweg 10
55128 Mainz
Tel.: +49 6131 379-115
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