Rastersondenmikroskopie

Rastersondenmikroskopie (engl. scanning probe microscopy, SPM) ist der Überbegriff für alle Arten der Mikroskopie, bei der das Bild nicht mit einer optischen oder elektronenoptischen Abbildung (Linsen, die eine Licht- oder Elektronenwelle Fourier-transformieren) erzeugt wird, sondern über eine sogenannte Sonde. Die zu untersuchende Probenoberfläche wird mittels dieser Sonde, die mit der Probe in Wechselwirkung steht, in einem Rasterprozess Punkt für Punkt abgetastet. Die sich für jeden einzelnen Punkt ergebenden Messwerte werden dann zu einem einzigen (meist digitalen) Bild zusammengesetzt.

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Die Rastersondenmikroskopie basiert mit Ausnahme der Rasterelektronenmikroskopie auf der jeweiligen Wechselwirkung einer nanoskopischen Sonde mit der Oberfläche eines Festkörpers. Diese Wechselwirkung kann z. B. eine mechanische Kraft, eine elektrische Kraft, eine magnetische Kraft, oder auch eine Lichtwelle sein. Ferner kann man diese Wechselwirkungen auch kombinieren. Der Begriff Sonde ist jedoch nicht immer wörtlich als ein materielles Gebilde zu verstehen. Im Falle der Rasterelektronenmikroskopie ist es ein fokussierter Elektronenstrahl.

Die zu untersuchende Oberfläche wird dabei in der Regel nicht durch die Sonde verändert oder zerstört. Man kann jedoch meist auch bewusst ein Verändern der zu untersuchenden Oberfläche induzieren, was meist unter dem Stichwort Nanomanipulation verstanden wird.

Die heute am besten etablierten Grundmethoden der Rastersondenmikroskopie sind (im Deutschen werden meist auch die englischen Abkürzungen benutzt):

• Rastertunnelmikroskop, Abk. RTM, engl. scanning tunneling microscope (STM)
• Rasterkraftmikroskop, Abk. RKM, engl. atomic force microscope (AFM, auch SFM)
• Magnetkraftmikroskop, Abk. MKM, engl. magnetic force microscope (MFM)
• Optisches Rasternahfeldmikroskop, engl. near-field scanning optical microscope (SNOM, auch NSOM)

Sie unterscheiden sich neben der Art der Wechselwirkung auch in den Probenanforderungen (leitende, nichtleitende, magnetische) und insbesondere in ihrem Auflösungsvermögen. Alle diese Methoden mit Ausnahme von REM besitzen jedoch ein Auflösungsvermögen unabhängig von der Abbe'schen Auflösungsgrenze für optische Mikroskope (in der Regel ca. 200-300 nm für Licht). Mit dem Rastertunnelmikroskop lassen sich Auflösungen von bis zu 10 pm realisieren, was zur Zeit von keinem anderen Mikroskop unterboten wird. Die Entwicklung der Rastersondenmikroskope seit Beginn der 80er Jahre des 20. Jahrhunderts war aufgrund der deutlich verbesserten Auflösung von weit unter 1 μm und der Möglichkeit der Nanomanipulation eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung der Nanowissenschaft seit Mitte der 90er Jahre und das Einläuten des Jahrhunderts der Nanotechnologie ab 2001. Ausgehend von den oben beschriebenen fünf Grundmethoden werden heute noch viele weitere Untermethoden unterschieden, die auf bestimmte zusätzliche Aspekte der benutzten Wecheselwirkung eingehen und sich in einer Vielfalt von erweiterten Abkürzungen widerspiegelt (STS, STL, XSTM, XSTS, SPSTM, VT-STM, ASNOM uvm.).

Rasterlichtmikroskope und Raster-Transmissions-Elektronenmikroskope (STEM) gehören nicht zu den Rastersondenmikroskopen, da bei ihnen die Bildentstehung über die optische bzw. elektronenoptische Abbildung mit der Abbe'schen Auflösungsgrenze für optische Mikroskope entsteht und nur zusätzlich der Rasterprozess ausgenutzt wird. Sie gehören jedoch zur Gruppe der Rastermikroskope.

Literatur

• C. Julian Chen: Introduction to Scanning Tunneling Mircoscopy. Oxford University Press, Oxford 1993, ISBN 0-19-507150-6 (Englisch)
• Roland Wiesendanger: Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy - Methods and Applications. Cambridge University Press, Cambridge 1994, ISBN 0-521-42847-5 (Englisch)