Atomic force microscope (AFM)

Bildquelle: Wikipedia

Ein atomic force microscope oder auf Deutsch Rasterkraftmikroskop dient zur Sichtbarmachung kleinster Oberflächenstrukturen, indem ein Cantileverarm mit einer sehr dünnen und spitzen Spitze an dessen Unterseite über eine zu untersuchende Probe geführt wird. Im Kontaktmodus berührt die Spitze die Oberfläche. Durch kleinste atomare Unebenheiten bewegt sich auch der Cantileverarm entsprechend. Auf dessen Oberseite befindet sich ein Spiegel und ein Laser ist auf diesen Spiegel gerichtet. Bewegt sich nun der Cantileverarm minimalst nach oben oder unten, wird der Laserstrahl geringfügig anders reflektiert und er trifft einen Lichtsensor an einer anderen Stelle. Infolgedessen regelt das AFM die z-Höhe des Objekts dermaßen, dass der Laserstrahl wieder zentrisch auf den Lichtsensor trifft. Die jeweils dafür notwendige z-Ansteuerung ist dann ein Maß für die atomaren Kräfte zwischen Spitze und Oberfläche bzw. für die Oberflächenstruktur.

Mehr Informationen: https://de.wikipedia.org/wiki/Rasterkraftmikroskop

Mein Aufbau unterscheidet sich ein wenig vom oben beschriebenen. Anstelle der Rückkopplung auf einen Piezo zur z-Veränderung des Objekttisches verwende ich einen Liniensensor für die Detektion des Laserstrahls und lasse die Höhe des Objekttisches unverändert. Eine Verbiegung des Cantilevers führt dann bei meinem Aufbau zu einem anderen Auftreffpunkt des Lasers auf dem Liniensensors. Dessen veränderte Position ist dann ein Maß für die Oberflächenstruktur.

Als Liniensensor verwende ich einen TSL1401. Dieser kam bereits bei meinem Arduino-Spektroskop (https://stoppi-homemade-physics.de/spektroskop-arduino/) zum Einsatz. Er besitzt auf einer Länge von rund 7.5 mm 128 Pixel; die Pixelgröße beträgt daher ca. 59 µm.

Damit der Laser auch immer meinen Sensor trifft, werde ich einen Linienlaser verwenden und dessen Strich horizontal ausrichten. Die Arduino-Software ermittelt dann das Pixel mit der größten Intensität. Die Pixelnummer wird dann graphisch in Graustufen umgewandelt und auf einem 320 x 480 Pixel Display dargestellt. Auf diese Weise erhalte ich dann das Bild der Oberfläche. Für die xy-Verstellung verwende ich zwei DVD-Laufwerke., welche ich günstig auf www.willhaben.at erstehen konnte.

Die beiden Laufwerke steuere ich mit EasyDriver Schrittmotortreibern an:

1000 Schritte bewegen den Schlitten ca. 26 mm, daher beträgt die xy-Auflösung meines AFM dann 26 µm/step. Damit wäre ich eigentlich zufrieden…

Für die Spitze verwende ich entweder einen dünnen Draht aus Nickel-Chrom oder Wolfram. Letzteren habe ich bereits auf ebay bestellt.

Ich habe mich mit 0.5 mm für einen relativ dicken Draht entschieden, da dieser dann deutlich steifer ist und den Cantileverarm sicher trägt ohne sich zu verbiegen. Um dennoch eine höhere Ortsauflösung zu erhalten, werde ich den Wolframdraht mit einem Dremel und einer Schleifscheibe anspitzen.

So, es gab eine kleine Kurskorrektur. Anstelle der selbst gemachten Spitzen aus Wolfram- bzw. Nickeldraht werde ich es einmal mit einer Zirkelspitze probieren. Dies auch deshalb, weil man Nickel und vor allem Wolfram schlecht/nicht löten kann. Vom Zirkel übernehme ich dann gleich auch den Klemmmechanismus der Spitze. Beim Künstlerbedarfshandel (boesner) habe ich mir daher heute einen Zirkel gekauft, wobei ich wie gesagt nur den Teil mit der Metallspitze bzw. das kleine separate Teil gebrauchen kann.

Den Cantileverarm werde ich wohl aus einem dünnen, leicht gebogenen Aluminiumblech fertigen (untere Skizze im Bild):

Die flexible Halterung für den Linienlaser und den Liniensensor werde ich mir aus einer “dritten Hand” basteln. Das habe ich schon öfters so gemacht und funktionierte eigentlich sehr gut…

Inzwischen habe ich den Cantileverarm aus den dünnen Aluminiumblech und der Zirkelspitze gebastelt. Am Armende habe ich einen Oberflächenspiegel von Astromedia mit Klebeband fixiert.

Das Stativ für den Cantileverarm werde ich aus 15 x 15 mm Vierkantrohr und einer M8-Gewindestange fertigen, das müsste dann hoffentlich ausreichend steif sein.

Inzwischen ist die “dritte Hand”, welche als flexible Halterung für den Laser und den Liniensensor gedacht ist, und das zweite DVD-Laufwerk angekommen.

Jetzt kann ich eigentlich den xy-Tisch aufbauen. Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter…