AtomkraftmikroskopAtomkraftmikroskop (AFM) ist eine hochauflösende Mikrotechnik, die auf der Wechselwirkung der Sonde mit der Probenoberfläche basiert und in der Lage ist, Proben im Nanoskala dreidimensionale Morphologie und eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Eigenschaften zu analysieren. Der Hauptvorteil besteht darin, dass es keine Vakuumumgebung erfordert, eine Vielzahl von Materialien (einschließlich Isolatoren) messen kann und eine Auflösung bietet, die weit über das optische Mikroskop hinausgeht (horizontale Auflösungen von 0,1-0,2 nm und longitudinale Auflösungen von 0,01 nm). Hier sind die wichtigsten Messfunktionen und Anwendungsszenarien von AFM:

1. Dreidimensionale Rekonstruktion

Durch das Scannen der Probenoberfläche erfasst die vertikale Verschiebung der Sonde (Z-Achsensignal) und erzeugt hochauflösende dreidimensionale Oberflächenbilder.

Anwendungen: Oberflächenrauheitsanalyse von Nanomaterialien, Strukturcharakterisierung von Mikroelektronikgeräten, Oberflächenmorphobeobeobachtung von biologischen Proben (z. B. Zellmembranen, DNA).

Fall: Messung der monoatomischen Schichtstufen der Graphenoberfläche mit einem Höhenunterschied von nur 0,34 nm.

2. Treppenhöhe und Profilanalyse

Quantitative Messung von vertikalen Abmessungen wie Foliendicke, Nanodrähtdurchmesser und Partikelhöhe.

Anwendungen: Qualitätsbewertung des Wachstums von Halbleiterfolien, Statistik der Nanopartikelgröße, Überprüfung der Gleichmäßigkeit der Beschichtung.

1. Elastizität und Härte

Durch die Analyse der Kraft-Entfernungskurve werden das lokale Modul der Elastizität (Young's Modulus) und die Härte der Probe berechnet.

Anwendung: Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Polymeren, Untersuchung der Härte von biologischen Geweben (wie Knorpel, Tumorzellen).

Fall: Messung der elastischen Modulunterschiede zwischen Krebszellen und normalen Zellen zur Unterstützung der Krebsdiagnose.

2. Haftung und Reibung

Messt die Haftkraft (z. B. intermolekulare Kraft) oder die Querreibung zwischen der Sonde und der Probenoberfläche.

Anwendungen: Bewertung der Eigenschaften von Schmierstoffen, Untersuchung der Wechselwirkungen von Biomolekülen (z. B. Proteine, DNA) und Substanzen.

Leitfähiges Atomkraftmikroskop (C-AFM)

Spannung auf die Sonde aufgebracht, Messung der Oberflächenströmverteilung der Probe und Erzeugung einer Leitfähigkeitskarte.

Anwendungen: Leckageanalyse von Halbleitergeräten, Gleichmäßigkeitsprüfung von leitfähigen Polymeren, Qualitätsbewertung der Kontaktelektroden von Solarzellen.

Beispiel: Identifizierung schlecht leitender Mikrozonen in Solarzellen zur Optimierung des Herstellungsprozesses.

Statisches Elektromikroskop (EFM)

Messt die statische Kraft zwischen der Sonde und der Probenoberfläche und spiegelt die Ladungsverteilung oder die dielektrische Konstante der Oberfläche wider.

Anwendung: Strukturbeobachtung von ferroelektrischen Materialien, Analyse von Ladungsfallen auf der Isolatoröberfläche.

Magnetmikroskop (MFM)

Mit einer magnetischen Beschichtungssonde wird die magnetische Struktur der Oberfläche der Probe durch magnetische Wechselwirkungen kartiert.

Anwendungen: Entwicklung von Festplatten-Magnetkopfen, Forschung der Anordnung von magnetischen Nanopartikeln, Charakterisierung von Spinelektronik.

Beispiel: Beobachten Sie den Schreib- und Leseprozess der Nanokategorien in einem magnetischen Speichermedium.

Scann-Thermomikroskop (SThM)

Die Sondenspitze heizt und misst die lokale Wärmeleitfähigkeit, um eine Wärmeverteilung zu erstellen.

Anwendung: Optimierung des Wärmemanagements von Mikroelektronikgeräten, heterogenee Analyse der Wärmeleitfähigkeit von Verbundwerkstoffen.

Chemisches Kraftmikroskop (CFM)

Sondenfunktionelle Modifikationen (z. B. Verbindungen bestimmter Moleküle) zur Identifizierung der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche durch chemische Bindungskräfte.

Anwendungen: Einzelmolekulare Detektion, Lokalisierung der Katalysatoroberflächenaktivität, biomolekulare Spezifischkeitserkennung.

Dynamische Beobachtung biologischer Proben

Überwachen Sie in Echtzeit Zellbewegungen, Proteinfalten oder DNA-Hybridisierungsprozesse in flüssigen Umgebungen.

Fall: Beobachten Sie die dynamische Verteilung der lebenden Zellmembranoberflächenrezeptoren und untersuchen Sie den Wirkungsmechanismus des Arzneimittels.

Zeitunterscheidung AFM

Hochgeschwindigkeitsscans (Millisekunden) erfassen Oberflächenveränderungen wie Phasenwechsel, Kristallwachstum oder Korrosionsprozesse.

Anwendung: Vorbildentwicklung des Lade- und Entladungsprozesses der Batterielektroden, Überwachung der frühen Phasen der Metallkorrosion.

1. AFM-Raman gemeinsam

Die Kombination von AFM-Morphologie mit Raman-Spektrochemischen Informationen ermöglicht eine synchrone "Morphologie-Komponente"-Analyse.

Anwendungen: Schichtzahl und Fehlererkennung von 2D-Materialien (z. B. MoS₂), Schnittstellenforschung von Polymerkompositen.

AFM - Infrarotverbindung

Chemische Bildgebung im Nanoskala durch das verstärkte Infrarotspektrum (TERS) mit Nadelspitzen.

Anwendungen: Analyse der chemischen Zusammensetzung von Biomolekularen Nanostrukturen, Zentralisierung der Katalysatoroberflächenaktivität.