Neue Methode zur Messung atomarer Kräfte

02.03.2010: Die Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen verlangt nach immer sensibleren Messgeräten. Wissenschaftler vom Departement Physik der Universität Basel haben nun die Messmethode der Rasterkraftmikroskopie weiterentwickelt, um atomare Wechselwirkungskräfte in einer bisher unerreichten Genauigkeit zu messen.

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. Forscher 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 messen, 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.

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 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. 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.

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 solche winzigen atomaren Kräfte - im Bereich von Billionstel Newton - zu messen und daraus konkrete Aussagen über die atomare Struktur von Oberflächen abzuleiten.

Originalveröffentlichung: Shigeki Kawai, Thilo Glatzel, Sascha Koch, Bartosz Such, Alexis Baratoff, and Ernst Meyer; "Time-averaged cantilever deflection in dynamic force spectroscopy"; Phys. Rev. B 80, 085422 (2009).