Grundlagen des AFM und warum Metalloberflächen wichtig sind

Was können wir verwenden, um Probenoberflächen jenseits des sichtbaren Lichts zu untersuchen? Elektronenstrahlen sind ideal für starke Vergrößerungen, die um viele Größenordnungen über denen der optischen Mikroskopie liegen. Aber wenn es um Auflösungen im Nanometer- (nm) und Sub-nm-Bereich geht, ist das Auflösungsvermögen nicht das letzte Wort. Das liegt zum Teil daran, dass die Forscher die Qual der Wahl haben, wenn es um Bildgebungslösungen im molekularen Maßstab geht.

Angenommen, Sie möchten sowohl die morphologischen als auch die topografischen Eigenschaften einer Metalloberfläche bewerten. Die Elektronenmikroskopie kann detaillierte Einblicke in Phasenstruktur, Korngröße usw. geben. Die Rastersondenmikroskopie (SPM) hingegen bietet einen besseren Einblick in die dreidimensionalen Oberflächenstrukturen, selbst wenn die Metalloberfläche im Nanomaßstab topografisch einheitlich ist. Für welche Technik entscheiden Sie sich?

Heute werden Elektronenstrahlen und physikalische Abtastsonden oft gemeinsam für eine umfassende Probenanalyse eingesetzt, was Ihnen die Qual der Wahl erspart.

AFM: Die Grundlagen

Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist die wohl populärste mikroskopische Methode, die auf der Rastersonden-Technologie basiert. Sie ergänzt Rasterelektronenmikroskopie oder Transmissionselektronenmikroskopie (SEM/TEM), indem sie selbst die feinsten topografischen Variationen von sehr glatten Oberflächen auflöst. Darüber hinaus kann das AFM eine Reihe von Beschaffenheitsmerkmalen wie Adhäsion, Elastizität, Magnetismus, Steifigkeit usw. auflösen. Dies erfordert die Verwendung spezieller Sondenspitzen und präzisionsgefertigter Substrate, die ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglichen.

Hier ist ein kurzes Beispiel: AFM hat sich als nützliche Methode zur Bewertung der Qualität des Drucks von selbstorganisierten Monoschichten (SAM) auf funktionalisierten metallischen Oberflächen erwiesen. Diese einzigartigen organischen Moleküle bauen sich spontan auf Oberflächen durch Adsorption auf der Grundlage von intermolekularen und molekularen Substrat-Molekül-Wechselwirkungen auf. AFM kann anschließend die Druckparameter bewerten und Musterfehler innerhalb eines einzigen Moleküls erkennen. Für dieses außergewöhnliche Maß an Präzision sind jedoch ultraflache Substrate erforderlich - in der Regel metallische Oberflächen wie Gold.

Schablonenabgezogene metallische Oberflächen

Im Zusammenhang mit dem AFM bedeutet "flach", dass die Oberfläche auf atomarer Ebene gleichmäßig ist. Diese Qualität ist mit herkömmlichen Herstellungsverfahren wie Epitaxie oder Flammglühen nicht leicht zu erreichen. Sie können zwar ein angemessenes Maß an Ebenheit liefern, doch ist dies auf Plättchen mit einer Oberfläche von nicht mehr als zwei Mikrometern (µm²), was ein unerschwinglich kleines Substrat darstellt. Die meisten Anwendungen erfordern größere metallische Oberflächen als diese.

Template-Stripping ist eine neuartige Technik, mit der die natürliche Ebenheit von Glimmerglas oder poliertem Siliziumdioxid auf einer metallischen Oberfläche wie Gold nachgebildet werden kann. Auf einen Glas-/Siliziumchip wird ein klebendes Zwischenprodukt aufgebracht und die Schablone mit einer gleichmäßigen Goldschicht überzogen. Die großflächige Einheitlichkeit der darunter liegenden Substrate im Angström-Bereich überträgt sich auf die metallische Oberfläche, so dass ein hochfunktionales Goldsubstrat mit unverfälschten Design-Topografien entsteht.

Dies ermöglicht es den Forschern, die ultrahohe Auflösung zu erreichen, die für die Charakterisierung von Materialien im atomaren Bereich erforderlich ist, ohne dass Inhomogenitäten des Substrats oder unerwünschte Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Spitze eine Rolle spielen. Über die Bewertung von SAMs hinaus, ohne Vorlage metallische Oberflächen haben sich als ideal für die Einzelmolekül-Bildgebung, DNA-Origami, 2D-Materialcharakterisierung und vieles mehr erwiesen.

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