Theodolinden-Gymnasium

III. Mikroskope – Werkzeuge der Nanotechnik

Die wichtigste Grundvoraussetzung für die Nanotechnologie, unabhängig von Anwendungs- und Aufgabengebiet, ist die Möglichkeit, Objekte auf der Nanometerskala zu betrachten. Nur so kann gezielt gearbeitet und die Ergebnisse von einzelnen Arbeitsschritten exakt kontrolliert werden.

Der Wissenschaft steht eine große Zahl von Mikroskoptypen, von denen einige den Eintritt in die Nanowelt ermöglichen, zur Verfügung.

Hier werden die fünf für die Nanotechnologie wichtigsten Vertreter vorgestellt.

1. Methoden der direkten Abbildung (am Beispiel des TEM)

Die Untersuchung von Materie beginnt häufig damit, dass man sich die entsprechende Substanz mit dem bloßen Auge oder Lichtmikroskop ansieht.

Dabei kann man außer der Farbe und der Homogenität der Zusammensetzung vor allem geometrische Parameter wie Rauigkeit der Oberfläche, Porosität, Korngröße etc. bestimmen.

Diese Parameter erhält man quantitativ aus Methoden der direkten Abbildung und aus Rastermethoden oder über Beugungsmethoden.

Bei der direkten Abbildung werden alle Punkte eines ausgewählten Bereiches gleichzeitig abgebildet.

Die bekannteste Methode ist die Lichtmikroskopie.

Transmissionselekronenmikrosopie (TEM):

Die Elektronenmikroskopie arbeitet analog zur Lichtmikroskopie. Anstelle von Lichtwellen werden Elekronenwellen, anstelle von optischen Linsen werden magnetische oder elektrische Linsen zur Abbildung verwendet.

Für TEM werden extrem dünne Proben benötigt, damit der Elektronenstrahl die Probe durchdringen kann. Die Präparation der erforderlichen Dünnschliffe ist sehr aufwendig und kann nicht für beliebige Proben ohne deren Schädigung durchgeführt werden. Außerdem können elektroneninduzierte Strahlenschäden auftreten, die vor allem organische und biologische Objekte zerstören. Weitere Nachteile der Elekronenmikroskopie ist das benötigte Vakuum für die erforderliche große mittlere freie Weglänge der Elektronen, die nicht an den Luftmolekülen gestreut werden dürfen, sowie die zum Teil erforderliche Leitfähigkeit von Proben, damit keine inhomogenen Aufladungsfelder beim Beschuß mit Elektronen entstehen, die den Elektronenstrahl unkontrolliert umlenken.

Ersteres ist vor allem ein Problem bei der Untersuchung lebender biologischer Objekte, letzteres sowohl bei biologischen Objekten als auch bei Keramiken u.ä..

Trotzdem ist TEM eine der wichtigsten Untersuchungsmethoden selbst für biologische Objekte.

2. Rastermethoden

Allen Rasterverfahren gemeinsam ist das Prinzip, die Probe Punkt für Punkt zeitlich nacheinander zu betrachten.

Unterschiede bestehen in der Art des Abtastens und in der physikalischen Meßgröße.

1. Rasterelektronenmikroskop (SEM):

Im Rasterelektronenmikroskop tastet ein feiner Elektronenstrahl das zu untersuchende Objekt Zeile für Zeile ab, synchron dazu läuft der Schreibstrahl einer Bildröhre.

Die Primärelektronen (die einfallenden Elektronen) regen das Objekt zur Abgabe von Sekundärelektronen an, die zusammen mit den zurückgestreuten Elektronen des Primärstrahls in den Detektor gelangen. Der Detektor steuert die Helligkeit der Bildröhre und so entsteht das Abbild. Die Vergrößerung wird durch das Verhältnis von Rastergröße auf dem Objekt zur Bildschirmgröße bestimmt.

Wie beim TEM muß die Probe auch hier vakuumbeständig und die Oberfläche elektrisch leitend sein. Nicht leitende Objekte können nach Aufbrinngen eines elektrisch leitenden Überzugs untersucht werden.

1. SNO – Mikroskopie:

Allen SXM – Verfahren gemeinsam ist die Notwendigkeit der päzisen Steuerung des Abstandes zwischen Sonde und Probe und der lateralen Rasterbewegung mit einer Auflösung besser als 10^-11 m (Linnemann: Integrierte Sensoren für Rasterkraftmikroskopie, S.11). Diese Bewegungspäzision läßt sich nur durch Piezoelemente realisieren. Diese bestehen aus Piezokeramik, die die Eigenschaft hat, dass sie sich bei angelegter Spannung kontrahiert oder elongiert. Diese Ausdehnung bzw. Zusammenstauchung erfolgt in Pikometerschritten.

Normale Mikroskope, wie Licht- oder Elektronenmikroskope zählen zu den Fernfeldmikroskopen, d.h., der geometrische Abstand zwischen Probe und dem Punkt, an dem das Bild beobachtet wird, ist im Vergleich zu der charakteristischen Dimension oder Wellenlänge der beteiligten Photonen oder Elektronen groß.

Da die Auflösung solcher Fernfeldmikroskope sich ungefähr in der selben Größenordnung wie die Wellenlänge bewegt, wird sie im Falle eines optischen Mikroskopes auf ca. 500 nm, bei Elektronenmikroskopen auf ca. 1 nm begrenzt (Heckl: The Human Genom, S. 101).

Beim SNOM wird ausgenutzt, dass bei sehr kleinen Wechselwirkungsabständen im sog. Nahfeld, das Auflösungsvermögen nicht mehr durch die Wellenlänge des Lichts vorgegeben ist. Man kann z.B. die Bündelung von koaxialer Führung in Glas/Metall – Anordnung ausnutzen, bei denen Licht aus einem Lichtleiter auf die Oberfläche trifft und prinzipiell auf Bereiche fokusiert sein kann, deren Ausdehnung nur Bruchteile der Lichtwellenlänge beträgt. Gemessen wird beim Abrastern der Oberfläche durch den koaxialen Lichtleiter das reflektierte oder transmittierte Licht.

1. Rastertunnelmikroskopie (STM):

Die Rastertunnelmikroskopie liefert dreidimensionale Bilder von Oberflächen und kann dabei einzelne Atome abbilden.

Eine feine Metallspitze wird mit einem Piezoelement durch Spannungsvariation so weit an die zu untersuchende Oberfläche herangefahren, bis ein Tunnelstrom - quantenmechanischer Tunneleffekt durch die Energiebarriere zwischen Leiterspitze und Probe – einsetzt. Dann wird die Spitze rasterförmig über die Oberfläche bewegt, wobei der Tunnelstrom und damit der Abstand zwischen Spitze und Objekt über einen elekronischen Regelkreis konstant gehalten wird. Durch das Registrieren des Regelsignals erhält man ein direktes Abbild der Oberfläche.

Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise eines STMs (aus VIII., 1.)

Dabei müssen keine Vakuumbedingungen eingehalten werden und so kann sogar in flüssigem Medium gemessen werden, wobei der Abstand zwischen Tunnelspitze und Oberfläche kleiner als die Durchmesser von Flüssigkeitsmolekülen gewählt werden kann.

Neuerdings werden mit dem STM nicht nur einzelne Moleküle abgebildet, sondern auch transferiert und adressiert.

1. Rasterkraftmikroskop (AFM):

Das AFM gehört zu der Familie der SFM - Rasterkraftmikroskope und ist eine der neueren Entwicklungen in diesem Sektor und die wohl meist verbreiteste SFM – Technik.

Beim AFM tastet eine Sonde die atomare Hügellandschaft des zu untersuchenden Probeobjektes ab. Die Sonde besteht aus einer Spitze, die aus wenigen Atomen gebildet wird (Im Idealfall sitzt an der Spitze der Spitze ein einziges Atom), die an einem beweglichen dünnen "Balken" montiert ist.

Fährt man mit dieser feinen Spitze an die Oberfläche heran, so wirkt in erster Näherung ein Lenward - Jones - Potential zwischen dem vordersten Atom der Spitze und dem Oberflächenatom, d.h., abstandsabhängig wirkt auf die Spitze in einem größeren Abstand zuerst eine anziehende und dann eine abstoßende Kraft. Beim Abtasten der Oberfläche wird die Kraft der Spitze konstant gehalten. Die dadurch veränderte Biegung des "Balkens" wird mit einem Sensor registriert. Als Sensor kann ein Tunnelmikroskop, üblicherweise jedoch ein abgelenkter Laserstrahl verwendet werden.

Das AFM ist wohl eines der wichtigsten Instrumente, die der Nanotechnologie zur Verfügung stehen.