Die Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen verlangt nach immer sensibleren Messgeräten. Baseler Wissenschaftler haben nun die Rasterkraftmikroskopie weiterentwickelt, um atomare Wechselwirkungskräfte in einer bisher unerreichten Genauigkeit zu messen. Sie berichten über die Ergebnisse ihrer neuen Studien in den Fachzeitschriften „Physical Review Letters“ und „Physical Review B“.
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Die Rasterkraftmikroskopie ist seit ihrer Erfindung vor zwanzig Jahren für die Forschung in Biologie, physikalischer Medizin, Chemie und Physik unverzichtbar geworden. Neben der Abbildung von Oberflächen können damit auch Kräfte präzise gemessen werden.
Rasterkraftmikroskopie weiterentwickelt
Forscher vom Departement Physik der Universität Basel haben nun die herkömmliche Messmethode der Rasterkraftmikroskopie so weiterentwickelt, dass es möglich ist, atomare Kräfte mit kurzer Reichweite zu bestimmen und zu messen.
Um Kräfte auf atomarer Ebene zu erfassen, verwendet man seit einigen Jahren einen Federbalken mit einer feinen, auf nur wenige Atome verjüngten Spitze. Für die Messung wird der Balken auf seiner Grundfrequenz zum Schwingen angeregt, so dass die Spitze über der Oberfläche der Probe oszilliert.
Abstand zwischen Spitze und Probe optimiert
Ausgehend von einem bisher vernachlässigten Effekt in der dynamischen Kraftspektroskopie haben die Basler Forscher den Abstand zwischen Spitze und Probe optimiert. Mit einem eigenen mathematischen Modell können jetzt Kraftfelder mit subatomarer Auflösung aus den gemessenen Daten abgeleitet werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend konnten die Wissenschaftler eine neue, wesentlich sensitivere und stabilere Messmethode der Kraftfelder entwickeln – die so genannte bimodale Rasterkraftmikroskopie.
Dabei wird die bisher mit der Grundfrequenz erzeugte Schwingung des Federbalkens zusätzlich durch den ersten Oberton bei einer höheren Frequenz angeregt. Die Amplitude dieser Schwingung kann auf Bruchteile eines Billionstel Meters reduziert werden. Sie ist damit wesentlich empfindlicher auf die atomaren Wechselwirkungskräfte mit kurzer Reichweite, so die Forscher. Dadurch werden zum einen wegen der großen Amplitude der Grundschwingung die bisherigen Messungen stabiler und verlässlicher. Zum anderen kann mithilfe der Oberschwingung eine hochsensitive Kraftmessung erfolgen.
Kraftfelder auf einer Graphitoberfläche gemessen
Durch die Nutzung weiterer Schwingungsparameter konnten die Forscher die bimodale Rasterkraftmikroskopie noch weiter verbessern und damit Kraftfelder auf einer Graphitoberfläche bei Raumtemperatur erfolgreich messen – was bisher aufgrund der sehr schwachen Wechselwirkungskräfte nicht möglich war.
Die neue Methode erlaubt, selbst winzige atomaren Kräfte im Bereich von Billionstel Newton zu messen und daraus konkrete Aussagen über die atomare Struktur von Oberflächen abzuleiten.
(idw – Universität Basel, 24.02.2010 – DLO)
