Lokale Messung von atomaren Kräften

Im ersten Kapitel werden die verschiedenen Messmethoden des Rasterkraftmikroskopes
beschrieben. Spezielles Gewicht wird auf die Beschreibung der lokalen Spektroskopieexperimente
gelegt. Um qualitative physikalische Aussagen aus den elektronisch
aufgezeichneten Daten zu erhalten, m¨ussen die Messkan¨ale und die Amplitude des
schwingenden Cantilevers geeicht werden. Die genaue Durchf¨uhrung dieser Kalibrierung
wird am Schluss des ersten Kapitels beschrieben.
In vielen dynamischen AFM Experimenten konnte die atomare Struktur verschiedener
Oberfl¨achen mit gleicher Qualit¨at und lateraler Aufl¨osung wie bei STM Messungen
abgebildet werden. In diesen Experimenten schwingt der Kraftsensor mit einer grossen
Amplitude, dabei wird eine Karte konstanter Frequenzverschiebung aufgezeichnet.
Aus den experimentellen Daten kann nicht direkt auf das Wechselwirkungspotential
geschlossen werden. Anhand der St¨orungstheorie erster Ordnung k¨onnen die experimentellen
Daten mit theoretischen Modellen verglichen werden. Dabei wird im Experiment
eine mittlere Kraft pro Oszillationszyklus bestimmt. Durch Integration des
theoretisch wirkenden Kraftgesetzes kann die mittlere Kraft berechnet werden. F¨ur
die verschiedenen Wechselwirkungen k¨onnen durch Integration ¨uber die Kraftgesetze
F(z) entsprechende Funktionen f¨ur die Frequenzverschiebung berechnet werden.
Durch den Vergleich dieser Funktionen mit den gemessenen Kurven lassen sich die
Anteile der verschiedenen Wechselwirkungen bestimmen. Diese Prozedur wurde auf
Si(111) und Cu(111) durchgef¨uhrt. Dabei haben sich bei einem Abstand von 0:6nm
folgende Kr¨afte der kurzreichweitigen chemischen und der VdW Wechselwirkung ergeben:
Die langreichweitige VdW Wechselwirkung hat eine starke Abh¨angigkeit von
der mesoskopischen Form der Spitze; sehr scharfe Spitzen zeigen deshalb eine kleine
VdWWechselwirkung. Aus der Trennung derWechselwirkungen konnte die charakte-
FV dW Fchem ¸ R
Cu(111) 1:1nN 0:4nN 0:35nm 14nm
Si(111) 0:3nN 0:3nN 0:16nm 11nm
Tabelle 4.1: Chemische und VdW Kr¨afte bei einem Abstand von 0:6nm mit der dazu
geh¨orenden charakteristischen L¨ange der chemischen Wechselwirkung ¸ und dem
mesoskopischen Spitzenradius R. ristische L¨ange ¸ der kurzreichweitigen chemischen Kraft sowie der Spitzenradius R
bestimmt werden. Das R¨atsel der unterschiedlichen normalisierten Frequenzverschiebungen,
bei welchen atomare Aufl¨osung auf derselben Oberfl¨ache erreicht wird, konnte
mit dem unterschiedlichen Anteil von VdW und kurzreichweitigerWechselwirkung
erkl¨art werden. Zus¨atzlich l¨asst sich die minimal detektierbare Kraft im dynamischen
AFM Modus von 0:6pN aus dem Phasenrauschen des Mikroskopes absch¨atzen. Im dynamischen STM Modus kann bei konstantem Tunnelstrom eine Variation der
Kraft von 0:18nN zwischen Positionen ¨uber den corner holes und den adatoms detektiert
werden. Die bessere Qualit¨at der Kraftkarte im Vergleich zur Topographie ist
darauf zur¨uckzuf¨uhren, dass die Frequenzverschiebung eine gemessene und nicht geregelte
Gr¨osse ist. Der instrumentelle Drift, die Schieflage der Oberfl¨ache und das
Rauschen des Distanzreglers verringern die Qualit¨at der Topographie. Entsprechend
erscheinen beim dynamischen AFM Modus der mittlere Tunnelstrom und die D¨ampfung
mit erh¨ohtem Kontrast. Die Topographie im dynamischen AFM Modus zeigte bei
Experimenten mit Probenspannung V = 2V und mit im Ultrahochvakuum pr¨aparierten
Spitzen jeweils eine Kontrastumkehr. Die zus¨atzlich hohen Tunnelstr¨ome ¨uber den
sehr scharf erscheinenden adatoms lassen anhand des Spitzenmodells vermuten, dass
der kurzreichweitige Anteil der Frequenzverschiebung links des Minimums liegt. Die
totale Frequenzverschiebung befindet sich jedoch ¨uberall auf der Oberfl¨ache rechts ihres
Minimums, so dass es zu keinen Instabilit¨aten bei der Distanzregelung kommt. Bei
konstanter H¨ohe konnten atomare Variationen von Frequenzverschiebung und D¨ampfung
aufgezeichnet werden, womit gezeigt ist, dass die D¨ampfung einen kurzreichweitigen
Anteil besitzt. An den Stellen ¨uber den corner holes erscheint die gr¨osste
negative Frequenzverschiebung und gleichzeitig die h¨ochste D¨ampfung, entsprechend
den geregelten Messungen. Nach spontaner A¨ nderung der Spitze konnten wie beim
hochaufl¨osenden konventionellen STM die zwei H¨alften der Einheitszelle unterschieden
werden. Lokale spektroskopische Messungen an Stufenkanten zeigen eine nicht triviale Abha
¨ngigkeit von der langreichweitigen Wechselwirkung. Durch kontinuierliche A¨ nderung
des elektrostatischen Potentials wurden im dynamischen STM Modus ein quadratischer
Zusammenhang zwischen dem Unterschied der Frequenzverschiebung von
der unteren zur oberen Terrasse festgestellt. Daraus l¨asst sich folgern, dass beim dynamischen
AFM Modus entsprechend die Stufenh¨ohen je nach angelegtem Potential
variieren, was auch auf Cu(111) Messungen gezeigt wurde. Trotz des metallischen
Charakters der Si(111) 7 £ 7 Oberfl¨ache konnte kein lokaler Kontaktpotentialunterschied
an der Stufenkante gemessen werden.
Ausblick
Der atomare Kontrast, bzw. die Korrugation h¨angt stark von der geometrischen Form,
der Reaktivit¨at und den elektronischen Eigenschaften der Nanospitze ab. Aufgrund der unterschiedlichen Anteile der diversen Kraftbeitr¨age zeigen unterschiedliche Spitzen
bei gleicher mittlerer Kraft ¯ F andere maximale Korrugationen. Geometrische
Vera¨nderungen der Spitze und A¨ nderungen der angelegten Spannung beeinflussen das
Verh¨altnis zwischen kurz- und langreichweitigen Anteilen. Deshalb k¨onnen Frequenzverschiebungskurven
stark in ihrer Form variieren. Es kann ein Minimum existieren,
oder die Frequenzverschiebungskurve f¨allt monoton ab. In Speziallf¨allen kann ein Minimum
¨uber adatoms auftreten und an anderen Positionen aufgrund st¨arkerer VdW
Wechselwirkung verschwinden. In solchen Situationeb kann es an gewissen lateralen
Positonen zu Instabilit¨aten kommen, weil der eingestellte Setpointwert nicht erreicht
werden kann. Falls der Regler tr¨age genug eingestellt ist, k¨onnen diese Stellen trotzdem
abgebildet werden, ohne dass die Spitze die Oberfl¨ache ber¨uhrt.
Ein intelligenter Distanzkontroller sollte zwischen langreichweitiger und kurzreichweitigerWechselwirkung
trennen k¨onnen. Somit k¨onnten die Artefakte in der Topographie
bei Stufen und Defekten minimiert werden. Es besteht auch Hoffnung, dass
ein solcher Regler stabiler arbeitet, weil er mehrere Messkan¨ale gleichzeitig ber¨ucksichtigt.
Ein Regler, welchem zu jedem Zeitpunkt die Vertrauensw¨urdigkeit der einzelnen
Signale bekannt ist, kann Spitzen¨anderungen erkennen und darauf reagieren.
Neben den Verbesserungen der Distanzregelung weisen neue Ideen auf dem Gebiet
der Nanotechnologie in Richtung von Manipulationen einzelner Molek¨ule und Atome.
Dabei wird die Spitze nicht mehr als passiver Sensor, sondern als aktives Manipulationswerkzeug
eingesetzt. Um solche Experimente durchzuf¨uhren, wird eine neue Generation
von Scansoftware ben¨otigt, welche die M¨oglichkeit der Direktmanipulation
bietet.