Piezorohre und Piezoelemente in der Rastersondenmikroskopie

Rastersondenverfahren in der Mikroskopie wie die Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) ermöglichen topografische Aufnahmen mit einer Auflösung bis zu Sub-Nanometern.

Beim AFM-Verfahren wird die Messspitze zeilenweise in einem definierten Raster über die Probenoberfläche geführt. Gemessen werden Kräfte zwischen der sehr dünnen Messspitze und der Objektoberfläche, die dann mit einem lateralen Auflösungsvermögen bis in den Picometerbereich Aufschluss über die Topografie der Oberfläche geben.

Zudem können weitere Probeneigenschaften wie Adhäsion, Steifigkeit oder Viskosität bestimmt werden.

Piezorohre positionieren die AFM-Spitze und Probe hochdynamisch in XYZ

Das Abtastelement, das aus einer Feder (Cantilever) und der eigentlichen AFM-Spitze besteht, wird durch kleinste Piezorohre hochdynamisch bewegt.

Piezorohre ersetzen hierbei die klassische Konstruktion aus einzelnen Tripoden für X-, Y- und Z-Bewegung besonders kompakt. Entscheidender Vorteil dabei ist die hohe Dynamik dieser Piezo-Scannerrohre. Da die Bewegung auf Festkörpereffekte zurückzuführen ist, erreichen sie eine Positionsauflösung bis in den Picometerbereich, bei Ansprechzeiten von wenigen Mikrosekunden. Die erreichbaren Auslenkungen liegen bei mehreren 10 Mikrometern. Für größere Stellbereiche über einige hundert Mikrometer übernehmen positionsgeregelt Piezo-Scannertische diese Aufgabe.

Für dynamische Untersuchungen, wie sie im Nicht-Kontakt-Modus der Rasterkraftmikroskopie (nc-AFM) durchgeführt werden, sind zusätzlich Piezoelemente wie Scheiben oder Platten am Cantilever angebracht, um die Messspitze dynamisch zum Schwingen zu bringen. Die AFM-Spitze bleibt wenige zehn Nanometer oberhalb der Oberfläche, berührt diese aber nicht. Mit dieser Methode können Abbildungen selbst atomarer Strukturen aufgenommen werden.

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Whitepaper: PI Höchstauflösende Mikroskopie aus dem Baukasten

Piezobasierte Scantische für exakte Probenpostitionierung und -messung
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