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How AFM Works

Atomic force microscopy is arguably the most versatile and powerful microscopy technology for studying samples at nanoscale. It is versatile because an atomic force microscope can not only image in three-dimensional topography, but it also provides various types of surface measurements to the needs of scientists and engineers. It is powerful because an AFM can generate images at atomic resolution with angstrom scale resolution height information, with minimum sample preparation.

So, how does an AFM work? In this page, we introduce you to the principles of an AFM with an easy to understand video animations. Feel free to share this page with others, and to email us if you have any questions.

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AFM Principle

Die Nanowelt
Nano kommt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie “Zwerg”. Die Vorsilbe Nano entspricht einem Faktor von 10-9. Ein Nanometer ist ein milliardstel Meter. Im Bereich von Nanometern treten intermolekulare Kräfte und Quanteneffekte auf. Um ein besseres Gefühl für die Nanoskala zu bekommen, stellen Sie sich die Größe eines Atoms im Verhältnis zu einem Apfel vor, das gleiche Verhältnis wie ein Apfel im Vergleich zur Erde! Das Rasterkraftmikroskop (RKM) erlaubt uns einen Blick in die Nanowelt.

Das RKM-Messprinzip
- Oberflächenmessung
Das Rasterkraftmikroskop benutzt eine Blattfeder, auch Cantilever genannt, mit einer sehr feinen Nadel, die zeilenweise über die Probenoberfläche rastert. Wenn die Spitze der Nadel in die Nähe der Probenoberfläche kommt, treten Anziehungskräfte auf, die zu einer Ablenkung der Blattfeder in Richtung Probe führen. Wird die Spitze in noch größere Nähe mit der Probenoberfläche gebracht, dann treten Abstoßungskräfte auf, die zu einer Ablenkung der Blattfeder weg von der Oberfläche führen.

- Messmethode
Mittels Laserstrahl lassen sich die Ablenkungen des elastischen Hebelarms messen. Richte man einen Laserstrahl auf die ebene Oberfläche der Blattfeder, so führt jede Ablenkung der Blattfeder zu einem veränderten Ausfallswinkel des reflektierten Lichts. Mit einer Positions-sensitiven Fotodiode (PSPD) lassen sich diese Veränderungen aufzeichnen. Wenn die RKM-Spitze über eine Erhebung in der Probenoberfläche gleitet, dann wird die Ablenkung der Blattfeder (und damit der veränderte Ausfallswinkel) von der Fotodiode registriert.

- Bildgebung
Das Rasterkraftmikroskop bildet die Topografie einer Probenoberfläche durch das Scannen der Cantilever-Messnadel über einem Probenbereich von Interesse ab. Vertiefungen und Erhebungen in der Probenoberfläche führen zur Ablenkung der Blattfeder, die mittels einer Fotodiode registriert wird. Die Kontrolle des Abstands zwischen Nadelspitze und Probenoberfläche (bei einer konstanten Laserposition) erlaubt dem Rasterkraftmikroskop mithilfe einer Rückkopplungsschleife die genaue Abbildung der Oberflächenstruktur der Probe.

 

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