Single-Chip-MEMS-Mikroskop Rasterkraftmikroskopie: Atome mit einer Nadelspitze abtasten

Redakteur: Kristin Rinortner

Forschern an der Universität im australischen Newcastle ist es gelungen, Rasterkraftmikroskope so zu verbessern, dass ein breiterer Einsatz in Laboren möglich wird. Neben einem modifizierten Konstruktionsprinzip mit im Chip integrierten Aktoren und Sensoren forciert auch die hohe Präzision von Digitizern die Entwicklungen.

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Rasterkraftmikroskopie vereinfacht: Das Prinzip des von Dr. Michael Ruppert (Universität Newcastle / Australien) entwickelten aktiven On-Chip-Cantilevers. Der integrierte Ansatz hat das Potenzial, die Kosten und die Komplexität des Rasterkraftmikroskops deutlich zu reduzieren und seine Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern.
Rasterkraftmikroskopie vereinfacht: Das Prinzip des von Dr. Michael Ruppert (Universität Newcastle / Australien) entwickelten aktiven On-Chip-Cantilevers. Der integrierte Ansatz hat das Potenzial, die Kosten und die Komplexität des Rasterkraftmikroskops deutlich zu reduzieren und seine Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Das 1985 entwickelte Rasterkraftmikroskop ist ein wichtiges Messinstrument in der Werkstoffwissenschaft. Damit lässt sich die Oberflächenstruktur in Bruchteilen eines Nanometers abbilden.

Das Rasterkraftmikroskop erreicht eine 1000fach höhere Auflösung als herkömmliche Lichtmikroskope. Im Gegensatz zu einem Elektronenmikroskop können Oberflächen in situ abgebildet werden. Diese Vorteile prädestinieren das Rasterkraftmikroskop für die Untersuchung von Polymeren, Nanostrukturen und anderen, auch nichtleitfähigen Werkstoffen sowie von weichen biologischen Stoffen.

Rasterkraftmikroskope: Kosten und Komplexität reduziert

An der Universität von Newcastle in Australien arbeitet Dr. Michael Ruppert mit seinem Team daran, Rasterkraftmikroskope zu optimieren und die Bedienung zu vereinfachen. Die Mitarbeiter des „Precision Mechatronics Lab“ für Elektrotechnik und Informatik der Universität vereinen Fachwissen aus den Bereichen Nanotechnologie, Mechatronik, mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und störungsarme elektronische Schaltungstechnik. Diese Fachgebiete sind nötig, um die Komplexität und die Kosten eines Rasterkraftmikroskops zu reduzieren.

Messprinzip des Rasterkraftmikroskops

Bild 1: Schematischer Aufbau eines herkömmlichen Mehrfrequenz-Rasterkraftmikroskops. Die Nadel vibriert mit mehreren Resonanzfrequenzen gleichzeitig, während sie von einem Nanopositionierer abgetastet wird.
Bild 1: Schematischer Aufbau eines herkömmlichen Mehrfrequenz-Rasterkraftmikroskops. Die Nadel vibriert mit mehreren Resonanzfrequenzen gleichzeitig, während sie von einem Nanopositionierer abgetastet wird.
(Bild: Spectrum)

Ein Rasterkraftmikroskop erstellt ein topografisches Bild, indem die feine Spitze einer Messnadel die Probenoberfläche abtastet. Ein Laserstrahl und ein positionsempfindlicher Fotodioden-Detektor werden verwendet, um kleinste Bewegungen der Nadel zu erfassen. Aus diesen Signalen wird eine dreidimensionale Oberflächen-Topografie errechnet.

Das Herzstück des Instruments ist die Nanometer-kleine Nadel und ihr Auslegerarm, zusammen als „Cantilever“ bezeichnet. Die Nadelspitze interagiert mit der zu untersuchenden Oberfläche im Atomgrößen-Bereich (Bild 1). Während die Herstellung des Cantilevers im Laufe der Jahre kontinuierlich weiterentwickelt wurde, blieb die eigentliche Konstruktion weitgehend unverändert.

Wie funktioniert ein Rasterkraftmikroskop?

Das Rasterkraftmikroskop (englisch: atomic force microscope, AFM, auch SFM) ist ein Rastersondenmikroskop, mit dem Oberflächenstrukturen im Nanometer-Bereich sichtbar gemacht werden können. Grundbestandteil ist der sogenannte Cantilever. Dieser besteht aus einem Auslegerarm (Blattfeder), an dessen einem Ende sich eine Nadel mit einer Nanometer-kleinen Spitze befindet. Die Nadelspitze wechselwirkt mit den Oberflächenatomen. Die atomaren Wechselwirkungen verbiegen den Cantilever. Aus der Auslenkung wird die Kraft berechnet, die zwischen den Atomen der Oberfläche und der Nadelspitze wirkt. Dies wird wiederum für eine 3D-Darstellung der Oberflächentopografie genutzt.
Das Prinzip des Mikroskops wurde 1985 von Gerd Binnig, Calvin Quate und Christoph Gerber entwickelt. Gerd Binning erhielt 1986 gemeinsam mit Heinrich Rohrer für die Weiterentwicklung der Mikroskopie, speziell die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops, den Nobelpreis in Physik.

Originalveröffentlichung in PhysRevLett.56.930

Ein passiver, rechteckiger Cantilever gilt als branchenweiter Standard. Diese Art Cantilever benötigt eine externe piezo-akustische Anregung sowie einen externen optischen Ablenkungssensor. Beide Komponenten sind nicht optimal geeignet für Weiterentwicklungen in der Mehrfrequenz-Technik, mit denen die Bildinformationen über die Oberflächentopografie hinaus auf eine Reihe von Eigenschaften im Nanometer-Bereich wie Probensteifigkeit, Elastizität und Adhäsionskraft erweitert werden kann.

Aktive Cantilever: Die Vorteile des neuen Ansatzes

Daher bieten neue, sogenannte aktive Cantilever mit integrierter Ansteuerung und Datenerfassung auf dem Chip deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen. Dazu gehören die fehlenden Probleme mit dem mechanischen Montagesystem, die Möglichkeiten zur Miniaturisierung und die AFM-Implementierung auf dem Chip, parallel arbeitende Cantilever-Arrays sowie das Fehlen von optischen Störungen.

Bild 2: Dr. Michael Ruppert richtet einen neuen, aktiven Cantilever in einem modifizierten Rasterkraftmikroskop aus.
Bild 2: Dr. Michael Ruppert richtet einen neuen, aktiven Cantilever in einem modifizierten Rasterkraftmikroskop aus.
(Bild: Spectrum)

Ruppert (Bild 2) und seine Mitarbeiter haben vor Kurzem eine Reihe von Untersuchungsergebnissen veröffentlicht, in denen innovative Cantilever-Konstruktionen vorgeschlagen werden, mit denen die Leistung der Mikroskope verbessert, der Betrieb vereinfacht sowie der Platzbedarf und die Kosten erheblich gesenkt werden können. Diese Artikel beschreiben Wege, wie die Ablenkempfindlichkeit optimiert [1], Resonanzfrequenzen frei ausgewählt [2] und eine integrierte, robuste Multimode-Q-Steuerung [3] ermöglicht werden können.

Silicon-on-Insulator: Single-Chip-MEMS-Mikroskop

Gemeinsam mit der University of Texas in Dallas / USA hat Ruppert auch das erste „Silicon-on-insulator“ Single-Chip-MEMS-Mikroskop entwickelt. Dieses Rasterkraftmikroskop besitzt im Chip integrierte elektrostatische Aktoren und elektrothermisch angeregte Sensoren sowie eine piezoelektrische Schicht aus AlN für Aktoren und integrierte Ablenkungsmessungen außerhalb des Chips [4]. Dieser Ansatz hat das Potenzial, die Kosten und die Komplexität des Rasterkraftmikroskops deutlich zu reduzieren und seine Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern.

Für derartige Ansätze sind hochpräzise Messgeräte notwendig, mit denen die Sensorsignale der integrierten Cantilever erfasst und analysiert werden. Indem die Wissenschaftler die spektrale Dichte des Amplitudenrauschens bestimmen, können sie wichtige Parameter des Cantilever-Systems wie das thermische Rauschen bei Resonanz, die Abtastbandbreite des Cantilevers und das Grundrauschen [5] ermitteln.

Bild 3: Der Digitizer DN2.593-08 von Spectrum Instrumentation ermöglicht eine Abtastung von 40 MSample/s mit 16 Bit auf acht Kanälen gleichzeitig.
Bild 3: Der Digitizer DN2.593-08 von Spectrum Instrumentation ermöglicht eine Abtastung von 40 MSample/s mit 16 Bit auf acht Kanälen gleichzeitig.
(Bild: Spectrum)

Dafür verwendet die Forschergruppe einen Digitizer von Spectrum Instrumentation, das Modell digitizerNETBOX DN2.593-08 (Bild 3). Der Digitizer verfügt über acht vollständig synchronisierte Kanäle, die jeweils Signale mit einer Rate bis zu 40 MSample/s und einer Auflösung von 16 Bit abtasten. Zur Steuerung und Datenübertragung wird der Digitizer über ein einfaches GBE-Kabel mit einem Host-Computer verbunden.

Wissenschaftler Ruppert sagt abschließend: „Ein Messwerkzeug wie die digitizerNETBOX ist für die Arbeit, die wir hier im Precision Mechatronics Lab leisten, unerlässlich. Mit diesem Gerät können wir hochaufgelöste, störungsarme Messungen an mehreren integrierten Sensorbereichen gleichzeitig durchführen, um die Leistung unseres Systems richtig zu bewerten.“

Referenzen

[1] Michael G. Ruppert, Steven I. Moore, Michal Zawierta, Andrew J. Fleming, Gino Putrino and Yuen K. Yong. Multimodal atomic force microscopy with optimized higher eigenmode sensitivity using on-chip piezoelectric actuation and sensing. Nanotechnology 30 (085503), 2019.

[2] Steven Ian Moore, Michael G. Ruppert, and Yuen Kuan Yong. AFM Cantilever Design for Multimode Q Control: Arbitrary Placement of Higher Order Modes. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 25, No. 3, 2020.

[3] Michael G. Ruppert; Yuen K. Yong. Note: Guaranteed collocated multimode control of an atomic force microscope cantilever using on-chip piezoelectric actuation and sensing, Review of Scientific Instruments, 88 (086109), 2017.

[4] Michael G. Ruppert, Anthony G. Fowler, Mohammad Maroufi, and S. O. Reza Moheimani. On-Chip Dynamic Mode Atomic Force Microscopy: A Silicon-on-Insulator MEMS Approach, IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 26, No. 1, 2017.

[5] Michael G. Ruppert, Nathan J. Bartlett, Yuen K. Yong, Andrew J. Fleming. Amplitude noise spectrum of a lock-in amplifier: Application to microcantilever noise measurements. Sensors and Actuators A 312 (112092), 2020.

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