Kurz & knapp
Ein Rasterkraftmikroskop (englisch Atomic Force Microscope, AFM) fährt mit einer winzigen Spitze an einer Blattfeder über die Probe und misst, wie stark sich die Feder durch Kräfte verbiegt. Daraus entsteht eine Höhenkarte der Oberfläche im Nanometerbereich.
Inhalt
Das Rasterkraftmikroskop (AFM) fühlt eine Oberfläche ab, statt sie zu beleuchten. Gerd Binnig, Calvin Quate und Christoph Gerber stellten es 1986 vor. Es erweitert das Rastertunnelmikroskop um einen wichtigen Punkt: Die Probe muss nicht elektrisch leitend sein.
So funktioniert es
Herzstück ist der Cantilever, eine mikroskopisch kleine Blattfeder, oft nur einige Hundert Mikrometer lang. An ihrem Ende sitzt eine Spitze mit einem Radius von typischerweise einigen Nanometern. Kommt die Spitze der Oberfläche nahe, wirken Kräfte zwischen den Atomen, und die Feder verbiegt sich. Ein Laserstrahl wird an ihrer Rückseite auf eine Fotodiode reflektiert. Schon kleinste Auslenkungen verschieben den Lichtpunkt messbar. Piezo-Elemente führen die Probe oder die Spitze Zeile für Zeile, eine Regelung hält die Kraft konstant.
Welche Kräfte wirken?
Auf kurze Distanz stoßen sich die Elektronenhüllen der Atome ab, auf etwas größere Entfernung ziehen sich die Atome durch schwache Van-der-Waals-Kräfte an. Das AFM nutzt beide Bereiche. Die Kräfte liegen im Bereich von Nanonewton bis Piconewton, was die Feder nur um Bruchteile von Nanometern auslenkt.
Betriebsarten
- Kontaktmodus: Die Spitze liegt auf der Oberfläche. Schnell, aber weiche Proben können Schaden nehmen.
- Tapping-Modus: Die Feder schwingt, die Spitze tippt die Oberfläche nur kurz an. Schonend für Zellen und Polymere.
- Berührungslos: Die Spitze bleibt knapp über der Probe, Messung über Kraftgradienten.
Wozu eignet es sich?
| Eigenschaft | AFM | REM |
|---|---|---|
| Umgebung | Luft, Vakuum oder Flüssigkeit | Meist Vakuum |
| Probe | Auch Isolatoren, auch lebende Zellen im Puffer | Meist bedampft und trocken |
| Ergebnis | Echte Höhenmessung | Grauwertbild |
| Bildfeld | Klein, oft unter 100 Mikrometer | Groß |
Die Höhenauflösung liegt unterhalb eines Nanometers, seitlich erreicht man einige Nanometer. Das genügt für Moleküle, Oberflächenrauheit von Wafern oder die Struktur von DNA-Strängen. Ein Rechenbeispiel: Bei einer Bildkante von 1 Mikrometer und 512 Messpunkten pro Zeile liegt der Punktabstand bei knapp 2 Nanometern. Ein solcher Scan dauert je nach Einstellung mehrere Minuten, deutlich länger als eine Fotoaufnahme im Lichtmikroskop. Die Spitze bestimmt die Qualität: Eine stumpfe Spitze „verbreitert“ schmale Strukturen im Bild.
Praxisbezug
AFMs stehen in Forschung und Industrie, etwa bei Halbleitern, Beschichtungen und Biophysik. Im Hobbybereich gibt es sie nicht, auch wenn einfache Lehrgeräte existieren. Wer Oberflächen im Alltag betrachten möchte, braucht ein Lichtmikroskop mit gutem objektiv. Orientierung bietet der Ratgeber Mikroskop kaufen. Auch das Elektronenmikroskop bleibt Forschungsgerät.
Verwandte Begriffe
Häufige Fragen
Wofür steht AFM?
AFM steht für Atomic Force Microscope, auf Deutsch Rasterkraftmikroskop. Es misst Kräfte zwischen einer feinen Spitze und der Probe und bildet daraus die Oberfläche ab.
Warum braucht das AFM keine leitfähige Probe?
Es misst keinen Strom, sondern die Kraft zwischen Spitze und Probenoberfläche. Deshalb lassen sich auch Isolatoren, Kunststoffe und biologische Proben untersuchen, teils sogar in Flüssigkeit.
Wie genau ist ein Rasterkraftmikroskop?
In der Höhe sind Auflösungen unter einem Nanometer möglich, seitlich einige Nanometer. Entscheidend sind Spitzenform und Schwingungsfreiheit des Aufbaus.
Quellen
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