VP 2: RKM - Rasterkraftmikroskop

Therese Challand

30. Januar 2006

Contents

1 Theorie 11.1 Rasterkraftmikroskop RKM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Messprinzip und Aufbau eines RKM . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Betriebsmodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3.1 Bildgebende Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3.2 Andere Messgrossen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3.3 Spektroskopische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4 Storungen wahrend der Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4.1 Vibrationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4.2 Thermischer Drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4.3 Interferenzerscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5 Auswertesoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.6 Self-Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.7 Cross-Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.8 Vergleich zu Optischen Mikroskopen . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Experiment 82.1 Ziel des Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2 Experimental Set-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4 Analyse der Messdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4.1 CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4.2 Aluminium Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4.3 Haut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.5 Fehlerauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.6 Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Schlussfolgerung 19

4 Quellenverzeichnis und Gratis-Software 19

1 Theorie

1.1 Rasterkraftmikroskop RKM

Das Rasterkraftmikroskop (engl. Atomic Force Microscope, AFM) ist ein von G.Binnig, C. Quate und C. Gerber 1986 entwickeltes Mikroskop zur mechanischen

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Abtastung von Oberflachen auf der Nanometerskala.Es wird eine an einer Blattfeder befestigte Nadel - den so genannten Can-

tilever - zeilenweise uber die Oberflache gefuhrt. Durch die Struktur der Oberflachewird dabei die Blattfeder gebogen. Die Auslenkung wird mit kapazitiven odertypischerweise optischen Sensoren gemessen. Der Krummungsradius der Spitzenbetragt ≈ 10 - 20 nm, was je nach Rauigkeit der Probenoberflache lateraleAuflosungen von 0, 1 - 10 nm erlaubt.

Zur exakten Bewegung der Nadel uber die Probe dienen Piezo-Stellelemente,mit deren Hilfe Scannbereiche von bis zu 100 × 100 µm untersucht werdenkonnen. Die Scangeschwindigkeit liegt typischerweise zwischen 0, 5 Hz und10 Hz, b.z.w., bei 1 Hz pro Sekunde wird eine Zeile hin und wieder zuruck ges-cannt. Bei normalen Bildauflosungen von 250× 250 bis 500× 500 Bildpunktenergibt sich somit eine Messdauer von ungefahr 1 bis 20 Minuten pro Bild.

1.2 Messprinzip und Aufbau eines RKM

Eine scharfe Messspitze (engl. tip) wird als Messsonde (engl. probe!) ingeringem Abstand uber die Probenoberflache gefuhrt. Diese scharfe Messspitzeist in der Grossenordnung von nm. Sie ist aus Silizium oder Siliziumnitridengefertigt. Sie befindet sich auf einem elastisch biegsamen Hebelarm (cantilever).Ein piezoelektrischer Scanner bewegt zum Messen dann entweder die Spitze uberdie Probe oder die Probe unter der Spitze weg.

Die Verbiegungen des Hebelarms -hervorgerufen durch Krafte zwischen Probe(engl. sample!) und Spitze- werden hochaufgelost gemessen, indem ein Laser-strahl auf die Spitze gerichtet wird und der reflektierte Strahl mit einem Pho-todetektor aufgefangen wird. Die Verbiegungen des Hebelarms geben Aufschlussuber die Oberflacheneigenschaften der Probe.

Ein wichtiges Element eines Rasterkraftmikroskops ist der Controller, der dieBewegung des Scanners und der Probe bzw. Spitze steuert, sowie die Signaleauswertet. Die Bedienung des Gerats wird einfacher, wenn die Positionierungdes Lasers und der Spitze durch ein lichtoptisches Mikroskop unterstutzt wird.

1.3 Betriebsmodi

Das Rasterkraftmikroskop kann in verschiedenen Betriebsmodi betrieben wer-den. Die Betriebsmodi konnen nach drei Systematiken geordnet werden:

1. nach Verfahren:

• bildgebende Verfahren,

• spektroskopische Verfahren,

2. je nachdem welche Wechselwirkungen fur die Messungen genutzt werden,siehe Abbildung 1:

• Kontakt Modus,

• Nicht-Kontakt Modus,

• Intermittierender Modus.

3. ob eine Regelung vorhanden ist:

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Figure 1: a)Kontakt-Modus; b)Nicht-Kontakt-Modus; c)IntermittierenderModus

• constant height mode, dt. ’konstante Hohe’-Modus,

• constant force/amplitude mode, dt. ’konstante Kraft/Amplitude’-Modus.

1.3.1 Bildgebende Verfahren

• Kontakt-Modus: In allen Kontakt-Messmethoden steht die Messspitze indirektem mechanischem Kontakt mit der Probe. Da sich die Orbitale derAtome in der Spitze und an der Probenoberflache nach dem Pauli-Prinzipnicht uberdecken durfen, entstehen starke abstossende Krafte:

– ungeregelt: Der ’konstante Hohe’-Modus ist die alteste Messmeth-ode des Rasterkraftmikroskops, da hier an die Regelungstechnik nursehr geringe Anforderungen gestellt werden. Beim Abrastern derProbe verbiegt sich die Abtastnadel entsprechend der Struktur derOberflache. Da umso grossere Krafte auftreten, je grosser die Uneben-heiten auf der Oberflache sind, eignet sich diese Methode vor allemfur sehr glatte und harte Oberflachen, wie Spaltflachen von Kristallen.Da keine Regelung senkrecht zur Probenoberflache erfolgen muss,konnen bei dieser Methode relativ hohe Messgeschwindigkeiten vonuber 10 Zeilen pro Sekunde erreicht werden. Die gesamte Informa-tion uber die Topografie der Oberflache ist im Auslenkungssignal derBlattfeder enthalten.

– geregelt: Im ’konstante Kraft’-Modus wird dagegen der Aufhangungspunktder Blattfeder mit Hilfe eines Piezostellelements so gesteuert, dassdie Auslenkung des Cantilevers und damit die Kraft zwischen Spitzeund Probe moglichst gleich bleibt. Um das zu erreichen, wird dasAuslenkungssignal der Blattfeder als Regelgrosse in einen Regelkreiseingespeist, der die Bewegung der Blattfederaufhangung bestimmt.Da Regelkreise nur eine endliche Geschwindigkeit aufweisen ist dieseMessmethode auf niedrigere Geschwindigkeiten begrenzt. Mit heutehandelsublichen Rasterkraftmikroskopen ist derzeit eine maximaleMessgeschwindigkeit von etwa 3 bis 4 Zeilen pro Sekunde moglich.Obwohl durch die Regelung die auf die Oberflache ausgeubten Kraftereduziert werden, bleibt trotzdem eine Restbelastung fur die Oberflacheubrig. Die Information uber die Topographie der Oberflache ist zumTeil im Regelsignal des Piezo-Stellelements enthalten, zum Teil imAuslenkungssignal der Blattfeder.

• Nicht-Kontakt-Modus: Im Nicht-Kontakt-Modus wird die Blattfeder durcheine externe periodische Kraft zu Schwingungen angeregt. Die Frequenzder Anregung wird etwas oberhalb der Resonanzfrequenz der Blattfeder

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gewahlt. Nahert sich die Messspitze dann einer Oberflache an, wird durchdie anziehenden Krafte (vor allem van-der-Waals Wechselwirkung) dieSchwingung des Systems gedampft und Amplitude sowie Frequenz derSchwingung reduziert. Dadurch schwingt die Spitze in einem kleinen Ab-stand uber der Probenoberflache.

– ungeregelt: Obwohl theoretisch ein ’konstante Hohe’-Modus auchim Nicht-Kontakt-Modus denkbar ware, ist er aus technischen Grundenkaum zu realisieren, da das System im Nicht-Kontakt-Modus wesentlichinstabiler auf Abstandvergrosserungen reagiert.

– geregelt: Im ’konstante Amplitude’-Modus wird die Amplitude desSystems in den Regelkreis eingespeist und das Piezostellelement entsprechendgeregelt um die Amplitude konstant zu halten. Da im Idealfall indiesem Messmodus die Spitze die Probenoberflache nicht beruhrt,ist diese Messart sehr schonend fur die Oberflache und kann auchauf sehr weichen Proben eingesetzt werden. Allerdings ist das Sys-tem sehr instabil, so dass sehr hohe Anforderungen an die Regelelek-tronik gestellt werden und die Messgeschwindigkeit ist mit etwa 1Zeile pro Sekunde gegenuber dem Kontakt Modus stark verringert.Zudem ist die Auflosung des Rasterkraftmikroskops in diesem Moduseingeschrankt, da hierbei langerreichweitige Wechselwirkungen zumTragen kommen.

• Intermittierender Modus: Der intermittiernde Modus (engl. intermittentmode, oft auch tapping mode) entspricht im wesentlichen dem Nicht-Kontakt-Modus - mit dem Unterschied, dass die Anregungsfrequenz indiesem Fall leicht unterhalb der Resonanzfrequenz der Blattfeder gewahltwird. Da bei der Annaherung an die Probenoberflache die Resonanzfre-quenz des Systems erniedrigt wird, kann mehr Energie in die Blattfederubertragen werden. Durch die dadurch geringfugig grossere Amplitudeals beim Nicht-Kontakt-Modus trifft die Spitze an jedem Minimum derSchwingung auf die Probenoberflache auf. Dadurch vereinigt der intermit-tierende Modus die Vorteile des Kontaktmodus mit denen des Nichtkon-taktmodus, da er geringe Auflagekrafte auf der Oberflache mit guter Auflosungund mittleren Messgeschwindigkeiten vereint. Er ist damit fur viele An-wendung der ideale Kompromiss. Bezuglich einer geregelten beziehungsweisenicht geregelten Messmethode gelten die selben uberlegungen wie fur denNicht-Kontakt-Modus.

1.3.2 Andere Messgrossen

Uber die einfache Messung der Oberflachentopographie hinaus konnen mit demAFM weitere physikalische Eigenschaften untersucht werden. Bei allen Messprinzip-ien liegt aber einer der oben aufgefuhrten Messmodi zu Grunde:

• MFM, magnetic force microscopy: Sie dient zur Untersuchung der lokalenMagnetstarke in der Probe und wird z.B. bei der Entwicklung von Com-puterfestplatten eingesetzt. Die Messung erfolgt im Nicht-Kontakt-Modus,wobei die verwendete Abtastnadel dabei zusatzlich mit einem ferromag-netischen Material beschichtet ist. Die Messung selbst erfolgt dann fur

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jede Bildzeile in zwei Durchlaufen: Im ersten Durchlauf wird mit einemder oben beschriebenen Messmodi zunachst das Hohenprofil der Probe er-mittelt. Danach wird im zweiten Durchlauf dieses Oberflachenprofil derProbe noch einmal abgefahren, und zwar so, dass die Messnadel einenkonstanten Abstand zur Oberflache aufweist (typisch unter 100 nm). Diegesammelten Informationen kommen nun nicht mehr durch eine mechanis-che Auslenkung der Messnadelspitze zustande, sondern durch die je nachlokaler Feldstarke unterschiedlich stark wirkenden magnetischen Anziehungskrafte.

• LFM bzw. FFM, lateral bzw. friction force measurement: Die Messungerfolgt im constant force Kontakt-Modus. Wahrend des Abrasterns derOberflache wird zusatzlich das Verkippungssignal des Cantilevers aufgeze-ichnet. Abhangig von der Reibung zwischen Abtastnadel und Oberflacheverdreht sich der Cantilever unterschiedlich stark. Dadurch konnen Gebi-ete unterschiedlicher Reibung unterschieden werden und somit Aussagenuber die Materialzusammensetzung in der Probenoberflache getroffen wer-den.

• CFM, chemical force microscopy, Chemische Kraftmikroskopie : Die RKM-Spitze wird chemisch so modifiziert, dass sie besonders stark auf bestimmteElemente an der Oberflache reagiert, z.B. Modifizierung mit einer Methyl-Gruppe um hydrophobe Oberflachen nachzuweisen. Da eine Reaktionder Molekule auf Probe und Spitze moglich sein muss, aber gleichzeitigReibungs- und Auflagekrafte moglichst gering gehalten werden mussen,erfolgt die Messung typischer Weise im intermittierenden Modus.

1.3.3 Spektroskopische Verfahren

Hier wird das RKM nicht zum Aufnehmen eines Bildes verwendet, sondern umdie elasto-plastischen Eigenschaften der Probe an einer vordefinierten Stelle zuuntersuchen.

• Kraft-Abstands-Kurven: Zur Messung von Kraft-Abstands Kurven wirdder Cantilever ein- oder mehrmals auf die Probe abgesenkt, mit definierterKraft aufgedruckt und wieder von der Probe entfernt. Dabei wird dieauf die Messnadel wirkende Kraft in Abhangigkeit von der Spitzenpo-sition aufgezeichnet. Aus den entstandenen Kurven lassen sich dannRuckschlusse auf verschiedene Eigenschaften des Materials und der Oberflachegewinnen wie zum Beispiel uber die Adhasionskrafte und die Elastizitat.

• Einzel-Molekulspektroskopie: Ein ahnliches Verfahren wie bei den Kraft-Abstands-Kurven kann auch verwendet werden um Bindungskrafte in einzel-nen Molekulen, wie beispielsweise Proteinen, zu messen. Dabei wirddas zu messende Molekul mit Hilfe spezieller Molekule kovalent an einenProbentrager und an die Messspitze gebunden und dann durch zuruckziehender Messspitze gestreckt. Da die Faltung von Proteinen durch Wasser-stoffbrucken oder noch schwachere Bindungen zu Stande kommen wirddadurch das Molekul zunachst vollstandig entfaltet, bevor es letzten En-des zu einem Reissen einer der kovalenten Bindungen im Molekul oder ander Oberflache kommt. In der zugehorigen Kraft-Abstands Kurve ist das

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Entfalten dementsprechend an einer sagezahnartigen Struktur zu erken-nen. Ein Verstandnis der Messergebnisse ist ohne zumindest grundlegendemolekularer Kenntnisse nicht erreichbar.

1.4 Storungen wahrend der Messung

1.4.1 Vibrationen

Diese kommen zum einen durch Gebaudeschwingungen oder Trittschall zus-tande. RKM-Messplatze werden deshalb gerne auf 15 cm starken Marmorplat-ten aufgebaut, die auf dampfenden Druckluftfussen stehen, oder auch auf mitPiezoelementen aktiv gedampften Tischen betrieben.

Zum anderen stellt akustischer Schall, der uber die Luft direkt auf denCantilever ubertragen wird, eine starke Storquelle dar. Dieses um so mehrje mehr die Resonanzfrequenz des Cantilevers nahe zum Frequenzbereich nor-maler Gerausche liegt. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, RKMs in beson-deren Schallschutzboxen zu betreiben. Falls es aus Sicht der untersuchtenProbe moglich ist, verbessern Gerate die unter Vakuumbedingungen arbeitenhier ebenfalls nennenswert die Auflosung.

1.4.2 Thermischer Drift

Durch thermische Ausdehnungen zwischen Probe und Cantilever konnen imVerlauf eines Messintervalls Verschiebungen von einigen Nanometern auftreten,was sich bei Bildern mit hoher Auflosung als Verzerrung sichtbar macht.

1.4.3 Interferenzerscheinungen

Bei stark reflektierender Probe kann es vorkommen, dass ein Teil des Laser-strahls von der Probenoberflache reflektiert wird und im Photodetektor mitdem Anteil, der vom Cantilever kommt, interferiert. Dieses macht sich dann insenkrecht zur Scannrichtung verlaufenden Streifen bemerkbar, die dem eigentlichenHohenbild uberlagert sind.

1.5 Auswertesoftware

Bei professionellen RFMs ist gewohnlich eine Auswertesoftware im Ansteuer-programm der Hardware integriert. Die Datenformate sind dabei meist her-stellerabhangig, da neben reinen Bilddaten auch die Einstellungen der jeweiligenMessung wie z.B. die Scanngeschwindigkeit mitgespeichert werden sollten.

Daruber hinaus lassen sich die erstellten Messbilder auch in bekannte Daten-formate wie BMP- oder JPEG-Dateien etc. konvertieren. Darberhinaus kannman die Daten dann bearbeiten. Dies wirdhier mit einer frei verfugbare Auswerte-software namens ’WSxM’ gemacht, mit der alle typischen Datenaufbereitungenvorgenommen werden konnen.

Um die Bilder aus ’WSxM’ in das LATEX-File zu kriegen, habe ich die Bilderder Proben als *.bmp gespeichert im ’WSxM’ und sie dann im Windows-Paint-Programm in *.png umgewandelt und dann ins LATEX-File gemacht, und dieProfile aus ’WSxM’ kopiert und ins Windows-Paint-Programm eingefugt und als

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*.png gespeichert. Also einfach kopieren und ins Paint. Die roten Markierun-gen zur besseren Analyse auf den Profilen habe ich ebenfalls mit dem Paint-Programm gemacht.

1.6 Self-Correlation

Im Programm ’WSxM’ wird dieser Prozess ’Self-Correlation filter’ (im ’SPMProcess menu’) genannt.

Die ’Self-Correlation’ ist definiert als:G(k1, k2) =

∑f(x, y)f(x + k1, y + k2),

wobei f(x, y) die Bild-Matrix ist. Diese Gleichung beinhaltet das Bild unddasselbe Bild verschoben um die Strecke k1 und k2 auf der X- b.z.w. Y -Achsebezogen auf das Zentrum des Bildes.

Das resultierende Bild, G(k1, k2), ist ein Mass dafur wie stark sich die Bildervoneinander unterscheiden. Je ahnlicher das Bild und das verschobene Bildsind, desto hoher ist der Wert der ’Self-Correlation’. Bei der ’Self-Correlation’erhalt man den grossten Wert im Zentrum des Bildes, wo also k1 und k2 Nullsind. Jede Periodizitat im Original-Bild wird als periodisches Muster im ’Self-Correlation’-Bild dargestellt.

1.7 Cross-Correlation

Im Programm ’WSxM’ wird dieser Prozess ’Cross-Correlation filter’ (im ’SPMProcess menu’) genannt.

Die ’Cross-Correlation’ ist definiert als:G(k1, k2) =

∑f(x, y)g(x + k1, y + k2),

wobei f(x, y) und g(x, y) zwei Bild-Matrizen sind. Diese Gleichung beinhal-tet das Bild f und das Bild g, welches um eine Strecke k1 und k2 auf der X-b.z.w. Y - Achse bezogen auf das Zentrum des Bildes.

Das resultierende Bild, G(k1, k2), ist ein Mass dafur wie stark sich die Bildervoneinander unterscheiden. Je ahnlicher die zwei Bilder sind, desto hoher istder Wert der ’Cross-Correlation’.

Thermischer Drift macht es meist schwierig,den selben Punkt mehrere Malezu messen. DerProzess der ’Cross-Correlation’ kann genutzt werden, um dieStrecke zu messen, um welche sich ein Punkt verschoben hat, verglichen mit dervorherigen Messung, wodurch der Drift korrigiert werden kann.

1.8 Vergleich zu Optischen Mikroskopen

Somit ist das RKM ein sehr gutes Miroskop, denn es ist besser als jedes optischeMikroskop wegen der Heisenberg’schen Unscharferelation.

Heisenberg’schen Unscharferelation sagt, dass ∆px · ∆x ≥ h/2, also vonder Grossenordnung der Planck’schen Konstante. Dies ist eine Konsequenz derWellennatur der Teilchen.

Als generelle Regel kann man sagen, dass fur jedes Wellenpaket gilt ∆kx ·∆x ≈ 1. Das kommt von einer Fouriertransformation der Heisenberg’schenUnscharferelation her, oder man kann es vonb der anderen Seite her quanten-mechanisch herleiten, indem man p = h · k in ∆kx · ∆x ≈ 1 einsetzt, undwiederum die Heisenberg’sche Relation erhalt.

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∆kx ·∆x ≈ 1 gilt nicht nur in x-, sondern auch in y- und z-Richtung, z.B.∆ky ·∆y ≈ 1. Elektromagnetische Wellen in Luft sind normalerweise transversal,somit ist die x-Richtung sowieso nicht die interessanteste Richtung.

Wir konnen schreiben: ∆ky = k · θ, wobei θ ist die angulare Apertur desLichtstrahls. Die beste Auflosung erhalt man wenn θ ≈ 1, was einer Ausdehnungdes Wellenpakets von ∆y = 1/∆ky = 1/k = λ/(2 · π) entspricht.

Also kann man sagen,dass die Wellenlange des Lichts, welche ≈ 500 nmbetragt, das Limit fur optische Auflosung gibt.

2 Experiment

2.1 Ziel des Experiments

Ich soll drei Proben scannen. Ich wahle die CD Mastercopy, glanzendes undmattes Aluminium und, als organisches Material, die Haut-Probe. Da dieseorganische Probe zwei Jahre alt ist, kann man keine typischen Eigenschaftenmehr deutlich erkennen.

2.2 Experimental Set-Up

Zuerst wollten wir die CD-Probe reinigen. Dazu setzen wir die Probe zuerstmit Ethanol in eine Ultraschall-Reinigungsmaschine, danach dasselbe mit des-tilliertem Wasser, danach lassen wir sie trocknen an der Luft. Jetzt hat es keinefremden Molekule oder Atome mehr auf der Probe.

2.3 Messungen

Das RKM steht auf einem Gleichgewichts-Tisch, der empfindlich auch auf kleineErschutterungen reagiert und diese ausbalanciert. In das RKM setzen wir denCantilever mit seiner wintzigen Spitze ein, dann setzen wir die Probe unterdas Mikroskop und nahern die Spitze der Probe an; zuerst manuell, indem wirdurch die Spiegel des Mikroskops hindurchblicken, dannach benutzen wir diePiezo-Stellelemente, welche durch die Sofware ’Easy Scan’ fur RKM controlliertwerden.

Alle Scanns die ich machte, habe ich im sogenannten ’Nicht-Kontakt-Modus’gemacht.

2.4 Analyse der Messdaten

2.4.1 CD

Das Scannen der CD Mastercopy gibt ein sehr prazises Bild der Bits wider,diesich auf der CD befinden. Ein Loch auf der Oberflache bedeutet ’Null’, kein Lochbedeutet ’Eins’ (oder umgekehrt). Diese Struktur ist radial auf die Oberflachegedruckt, ahnlich einer Schallplatte. Siehe Abbildung 2.

In radialer Richtung haben wir durchschnittliche Abstande von≈ (3,5−2)+(5−3,5)2

µm = 1, 5 µm; in laterale Richtung ≈ (4−2)+(5,3−3,25)2 µm = 2, 025 µm. Die

laterale Richtung kennzeichnet die ’Einsen’ und ’Nullen’, die radiale Richtungkennzeichnet die Abstande der einzenen Rillen oder Spuren der CD, vgl. Ab-bildung 3, Abbildung 4, Abbildung 5.

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Figure 2: CD

Figure 3: Profile von CD

Ich benutze zur Auswertung das Programm ’WSxM 4.0 Develop 8.0 - ImageBrowser’ und dem Befehl ’2D-FFT’. Dann mache ich ein Profil durch die inter-essanten Gebiete des transfomierten Bildes. Die ’FFT’ gibt auch die Richtungder Ereignisse im Bild wider. Von Abbildung 6 erhalte ich eine inverse Langevon ≈ (2, 5− 1, 25) ·1/µm = 1, 25 ·1/µm, siehe Abbildung 7.

Wenn ich hingegen den ’Self-Correlation’-Filter benutze, dann sieht das Bildfolgendermassen aus, siehe Abbildung 8:

Hier auch das Profil durch die ’Self-Correlation’ der CD, siehe Abbildung 9.Aus diesem Bild entnehme ich eine charakteristische Lange von ≈ (8 − 5) µm= 3 µm.

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Figure 4: CD lateral

Figure 5: CD radial

Figure 6: ’FFT’-Bild von der CD

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Figure 7: Profil durch FFT-Bild von CD

Figure 8: Self-Correlation-Bild von der CD

Figure 9: Profil durch Self-Correlation-Bild der CD

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2.4.2 Aluminium Al

Das glanzende Al hat parallele Furchen, siehe Abbildung 10. Das matte Al,siehe Abbildung 11, sieht unter den Mikroskop aus wie Berge und Taler ausdem Flugzeug aufgenommen. Vergleiche dazu das 3D-Bild des matten Al, sieheAbbildung 12.

Figure 10: glanzendes Aluminium

Figure 11: mattes Aluminium

Das ’Self-Correlation’-Bild des glanzenden Al gibt uns die Richtung der zer-furchten Oberflache,welche man unterdem Mikroskop sieht, wieder, siehe Ab-bildung 13. Die charakteristische Lange betragt ≈ 30, 5 − 12, 5 µm = 18 µm,siehe Abbildung 15.

Das ’Self-Correlation’-Bild des matten Aluminiums gibt uns eine charakter-istische Lange von ≈ 17, 6−2, 4 µm = 15, 2 µm und eine Richtung der Struktur,siehe Abbildung 16, denn das Original-Bild hat auch ein charakteristische Lange-wenn auch nicht besonders deutlich ausgepragt- und eine Richtung der Struk-tur, siehe Abbildung 14. Da das matte Al wie das glanzende Al mechanischbearbeitet wurde, haben beide eine charakteristische Lange und Richtung. Diejeweiligen charakteristischen Langen entsprechen den Distanzen der jeweiligenStruktur des Materials.

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Figure 12: mattes Aluminium in 3D-Darstellung

Figure 13: ’Self-Correlation’ des glanzenden Al

Figure 14: ’Self-Correlation’ des matten Al

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Figure 15: Profil durch ’Self-Correlation’ des glanzenden Al

Figure 16: Profil durch ’Self-Correlation’ des matten Al

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2.4.3 Haut

Diese Probe ist ein Querschnitt durch die Haut, somit sollte man die Hautschichtensehen: Oberhaut, Lederhaut, Unterhaut. Auf den folgenden drei Bildern siehtman den Rand der Probe und ich nehme an, dass man darauf die aussersteSchichten erkennt, siehe Abbildung 17, Abbildung 18, Abbildung 19.

Figure 17: Rand der Probe

Figure 18: Rand der Probe, um 180◦ gedreht

Die folgenden Bilder kann ich leider nicht identifizieren. Ich nehme an, dasses sich um ehemalige Zellen handelt, siehe Abbildungen 20, 21, 23:

Vom Bild ’Self-Correlation der Haut’ wertete ich die charakteristische Langeeiner Hautzelle, namlich von Abbildung 22, mittles ’Self-Correlation’ aus undmachte ein Profil des korrelierten Bildes, siehe Abbildungen 24, 25, 26:

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Figure 19: In der Probe

Figure 20: In der Probe

Figure 21: In der Probe

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Figure 22: In der Probe

Figure 23: In der Probe

Figure 24: ’Self-Correlation’ der Haut

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Figure 25: ’Self-Correlation’ der Haut

Figure 26: Profil der ’Self-Correlation’ der Haut

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Also konnen wir die charakteristische Lange der ehemaligen Zelle (oder wasauch immer dieses Objekt einst war) auswerten: ≈ (16, 25 − 2, 5) µm = 13, 75µm ist.

2.5 Fehlerauswertung

Da ’Self-Correlation’ist wie die ’raumliche Erinnerung’ der Oberflache, also einDurchschnitt, um wieviel sich das ganze Bild verschoben hat. Somit ist derAbstand der Punkte grosster Intensitat im korrelierten Bild der Durschnittswerteines Objekts in der Struktur des Bildes, z.B. einer Hautzelle. Dies nennt mandie charakteristische Lange. Es gibt auch ’Self-Correlation bezuglich der Zeit.Als Wert fur die charakteristische Lange habe ich die Distanz zwischen denbeiden ersten Nebenmaxima im Profil der ’Self-Correlation’ verwendet.

2.6 Probleme

Das Hauptproblem war fur mich, dass ich wahrend dem Wechseln der Probenicht die Spitze kaputt mache, denn ein Cantilever kostet etwa 50 Sfr. Ansonstengab es keine Probleme mit dem Experiment.

3 Schlussfolgerung

Zuerst diskutiere ich die physikalischen Eigenschaften des RKM und seinenModi, in welchen man die Proben scannen kann. Dann schreibe ich uber die’Self-Correlation’ und die ’Cross-Correlation’, was im Hilfsprogramm von WSxMstand. Diese beiden Methoden benutze ich unter anderem bei der Analyse derDaten. Fur jede Probe, die ich im Experiment benutzt habe, beschreibe ich,wie ich sie auswerte. Diese Bilder habe ich in den Text eingefugt. Auch dieAnalyse der Daten ist einfach, da diese digital vom Mikroskop kommen.

4 Quellenverzeichnis und Gratis-Software

• Wikipedia, die freie Enzyklopadie; http://de.wikipedia.org/wiki/Hauptseite

• WSxM c©;http://www.nanotec.es

• Interdisciplinary Sample Kit for Teaching AFM, Dr. R. Bennewitz andD. Elbing, 2004

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