AT522624A1

AT522624A1 - Cantilever für ein rasterkraftmikroskop

Info

Publication number: AT522624A1
Application number: ATA50454/2019A
Authority: AT
Inventors: Schneider Michael; Hafner Jonas; Schmid Ulrich; Platz Daniel; Berger Claudio
Original assignee: Univ Wien Tech
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2020-12-15
Also published as: WO2020232491A1

Abstract

Ein Cantilever (1) für ein Rasterkraftmikroskop hat einen Grundkörper (2), welcher durch eine externe periodische Kraft in zumindest einer Frequenz anregbar ist, wobei der Grundkörper (2) im schwingenden Zustand in einer Resonanzfrequenz einer vorgegebenen zweidimensionalen Schwingungsmode schwingt und der schwingende Grundkörper eine erste dynamische Federkonstante aufweist, sowie ein Balkenelement (3), welches an einer Befestigungsstelle des Grundkörpers (2) an dem Grundkörper (2) befestigt ist. Ein erster Abschnitt (3a) des Balkenelements (3) steht über einen Rand des Grundkörpers (2) vor. Das Balkenelement (3) hat eine von dem Balkenelement (3) abstehende und an dem ersten Abschnitt (3a) angeordnete Messspitze (8). Das Balkenelement (3) wird durch die Schwingung des Grundkörpers (2) in Bewegung versetzt, wobei das bewegte Balkenelement eine zweite dynamische Federkonstante aufweist, wobei der in einer Resonanzfrequenz schwingende Grundkörper und das bewegte Balkenelement ein gekoppeltes schwingendes System bilden.

Description

CANTILEVER FÜR EIN RASTERKRAFTMIKROSKOP

Die Erfindung betrifft einen Cantilever für ein Rasterkraftmikroskop, wobei der Cantilever einen Grundkörper aufweist, welcher durch eine externe periodische Kraft, welche von einer Anregungsvorrichtung bereitgestellt wird, in zumindest einer Frequenz anregbar ist, wobei der Grundkörper im schwingenden Zustand in einer Resonanzfrequenz einer vorgegebenen zweidimensionalen Schwingungsmode schwingt, sodass der schwingende Grundkörper eine

erste dynamische Federkonstante aufweist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Rasterkraftmikroskop und eine Verwendung eines

Cantilevers und eines Rasterkraftmikroskops.

Die Rasterkraftmikroskopie (engl. Atomic Force Microscopy (AFM)) ist eine weitverbreitete Technologie zur topographischen Untersuchung und Materialcharakterisierung von Oberflächen im (Sub-)Nanometerbereich. Bei einer Messung eines Probenmaterials mit einem Rasterkraftmikroskop kommen sogenannte Cantilever zum Einsatz, welche im Stand der Technik als einseitig eingespannte mikroskopische Balken ausgebildet sind, die während der Messung vertikal zu einer Probe schwingen. Der Balken ist somit ein mechanischer Resonator, welcher durch eine an dem Balken aufgebrachte Spitze mit der zu

untersuchenden Probenoberfläche wechselwirkt.

Ziel heutiger Entwicklungen ist es die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen, um die Messzeiten zu verkürzen, wodurch mit dem Rasterkraftmikroskop dynamische Prozesse nahezu in Echtzeit messbar werden. Hohe Abtastgeschwindigkeiten erfordern eine Schwingungsanregung des Cantilevers in einer hohen Resonanzfrequenz. Die

Resonanzfrequenzen fi; des Balkens ergeben sich nach Euler und Bernoulli zu

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Wobei a; die Eigenwerte des Differentialoperators der Euler-Bernoulli Gleichung darstellt. Je

kürzer die Länge L des Balkens, desto höher liegen demnach seine Resonanzfrequenzen fi.

Ein sich daraus ergebender Nachteil ist jedoch, dass eine kurze Balkenlänge L eine hohe

Federkonstante k; des Balkens zur Folge hat. Dies ergibt sich durch den Zusammenhang

a Breite

Den Balken in seiner Länge zu verkürzen limitiert jedoch dessen maximal erreichbare Auslenkung, welche zur Untersuchung von Oberflächen bestimmter Rauigkeit notwendig ist, und verringert überdies das Sensor-Messsignal bei einer auf Amplituden-Modulation basierenden Messung. Ferner können empfindliche Oberflächen wie sie beispielsweise biologische Proben aufweisen durch zu hohe Federkonstanten derart beeinflusst werden, dass sich die Messergebnisse verfälschen. Des weiteren werden Proben, insbesondere biologische bzw. organische Proben, oftmals in Flüssigkeiten untersucht, wodurch die im Stand der Technik bekannten Cantilever durch Verwendung der Standard Out-of-PlaneMode stark gedämpft und ihr Q-Faktor, die Resonanzfrequenzen und die Signal-to-Noise

Ratio signifikant erniedrigt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Cantilever zu schaffen,

welcher die Nachteile des Standes der Technik beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch einen Cantilever mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Rasterkraftmikroskop mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst. Bevorzugte

Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß weist der Cantilever ein Balkenelement auf, welches an einer Befestigungsstelle des Grundkörpers an dem Grundkörper befestigt ist, wobei ein erster Abschnitt des Balkenelements über einen Rand des Grundkörpers vorsteht, wobei das Balkenelement eine Messspitze aufweist, welche vorzugsweise orthogonal von dem Balkenelement absteht und an dem ersten Abschnitt des Balkenelements, welcher über den

Rand des Grundkörpers vorsteht, angeordnet ist, wobei im schwingenden Zustand des

Grundkörpers das Balkenelement durch die Schwingung des Grundkörpers in Bewegung versetzt wird, wobei das bewegte Balkenelement eine zweite dynamische Federkonstante aufweist, wobei der in einer Resonanzfrequenz schwingende Grundkörper und das bewegte

Balkenelement ein gekoppeltes schwingendes System bilden.

Das gekoppelte schwingende System, welches aus dem Grundköper und dem daran befestigten Balkenelement gebildet wird, kann eine dynamische Federkonstante aufweisen, die insbesondere kleiner ist als die erste und die zweite dynamische Federkonstante. Als dynamische Federkonstante wird jene Federkonstante bezeichnet, die ein schwingendes System aufweist. Bevorzugt unterscheiden sich der Grundkörper und das Balkenelement sowohl in ihren Dimensionierungen als auch in ihren Materialparametern. Der Grundkörper ist vorzugsweise plattenförmig bzw. ein Plattenelement, welches eine rechteckige, quadratische oder trapezförmige Form aufweisen kann, wobei das Plattenelement im Vergleich zu dem Balkenelement eine größere Länge, Breite und Dicke aufweist. Das Balkenelement ist im Vergleich zu dem Grundkörper insbesondere kürzer, schmäler und dünner. Mit anderen Worten ist der Grundkörper bevorzugt in seinen Dimensionen größer und in seinen elastischen Eigenschaften steifer als das Balkenelement. Umgekehrt ist das Balkenelement in seinen Dimensionen vorzugsweise kleiner und in seinen elastischen Eigenschaften weicher als der Grundkörper. Der Grundkörper kann in zweidimensionalen Schwingungsmoden angeregt werden, wodurch, im Vergleich zu einem einfachen Biegebalken, hochfrequente Eigenmoden mit hohen Gütefaktoren Qi; angeregt werden können. Die zweidimensionalen Schwingungsmoden können mit der Kirchhoff-LovePlattentheorie berechnet werden. Der im Vergleich zu dem Balkenelement größere Grundkörper kann, für bestimmte zweidimensionale Schwingungsmoden, sehr viel elastische Energie enthalten (in Relation zu Euler-Bernoulli-Moden mit vergleichbarer maximaler Frequenz der räumlichen Modenmodulation), wodurch jedoch die dynamische Federkonstante des Grundkörpers ebenfalls erhöht wird. Schwingt der Grundkörper in einer Resonanzfrequenz, weist das an den Grundkörper gekoppelte Balkenelement, im Vergleich zu dem Grundkörper, eine kleinere dynamische Federkonstante auf. Durch das Koppeln des Grundkörpers mit dem relativ zu dem Grundkörper wesentlich kleineren Balkenelement, kann das Balkenelement somit einerseits hochfrequent angeregt bzw. bewegt werden, und andererseits eine, im Vergleich zu dem Grundkörper, niedrigere dynamische Federkonstante aufweisen. Der erfindungsgemäße Cantilever kann somit in den für hohe Abtast- bzw.

Messgeschwindigkeiten benötigten hohen Resonanzfrequenzen angeregt werden, wobei

gleichzeitig die dynamische Federkonstante des gekoppelten schwingenden Systems niedrig gehalten wird. Die dynamische Federkonstante eines Systems repräsentiert den Proportionalitätsfaktor zwischen quadratischer Auslenkung und elastischer Energie, sodass die Energie des entsprechenden Punkt-Masse Systems und der Kontinuumsmode gleich sind. Bevorzugt schwingt während einer Messung der Grundkörper in einer hohen Resonanzfrequenz, So dass der kleine Biegebalken nicht in Resonanz gebracht wird und lediglich quasistatisch der Bewegung des Grundkörpers folgt. Der Begriff „quasistatisch“ ist so zu verstehen, dass das Balkenelement bevorzugt nicht in Resonanz schwingt, wodurch dessen dynamische Federkonstante entsprechend gering ist. Das Balkenelement kann jedoch auch in Resonanz schwingen. Das Balkenelement ist bevorzugt an dem Grundkörper derart befestigt, dass der Grundkörper und das Balkenelement einen Überlappungsbereich aufweisen. Anders ausgedrückt, ragt ein erster Abschnitt des Balkenelements über einen Rand bzw. einen Randbereich des Grundkörpers hervor und ein zweiter Abschnitt des Balkenelements ist an einem Oberflächenbereich des Grundkörpers befestigt. Jener Randbereich des Grundkörpers, an welchem der zweite Abschnitt des Balkenelements befestigt ist, wird in diesem Zusammenhang als Überlappungsbereich bezeichnet. In diesem Fall liegen das Balkenelement und der Grundkörper jeweils in einer Ebene, wobei die beiden Ebenen parallel zueinander verschoben sind. Der Balken kann im Wesentlichen als Verlängerungsarm des Grundkörpers angesehen werden. Das Balkenelement weist ferner eine Messspitze auf, welche mit einer Probenoberfläche bei einer Messung wechselwirken kann. Die Messspitze ist bevorzugt an einer Oberfläche des ersten Abschnitts des Balkenelements befestigt, welche von dem Grundkörper abgewandt ist. Die Messspitze kann beispielsweise Diamant umfassen und an dem Balkenelement angeklebt sein, oder beispielsweise mittels Focused Electron Beam Induced Deposition an dem Balkenelement angebracht werden. Als Anregungsvorrichtung kann beispielsweise ein von dem Grundköper räumlich getrennter, externer Piezo-Aktor, eine photothermische Aktivierungsvorrichtung, oder eine piezoelektrische Schicht, welche auf dem Grundkörper integriert aufgebracht ist, vorgesehen sein. An dieser Stelle sei erwähnt, dass einem Fachmann auf dem Gebiet der Rasterkraftmikroskopie klar ist, wie eine Messspitze an einem Cantilever angebracht werden kann und der Fachmann ferner die Möglichkeiten der Schwingungsanregung eines Cantilevers in einem Rasterkraftmikroskop sowie deren technische Umsetzung kennt, weshalb in dieser Offenbarung nicht näher darauf

eingegangen wird.

Der Grundkörper kann ein erstes Material aufweisen und das Balkenelement kann ein zweites Material aufweisen, wobei das erste und das zweite Material unterschiedlich sein können. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das erste und das zweite Material nach (für eine AFM Messung) optimalen mechanischen Eigenschaften ausgewählt werden können. Alternativ können die beiden Materialien auch gleichartig sein. Der Grundkörper kann insbesondere aus einem, im Vergleich zu dem Balkenelement, steiferen Material bestehen. Der Grundkörper kann beispielsweise Silizium oder Siliziumcarbid umfassen und einen Elastizitätsmodul zwischen 150 GPa und 600 GPa, bevorzugt zwischen 130 GPa und 170 GPa, besonders bevorzugt 160 GPa aufweisen. Das Balkenelement kann insbesondere Gold, Silber, Aluminium, Silizium, Polymere oder Titan umfassen und einen Elastizitätsmodul zwischen 2 GPa und 170 GPa, vorzugsweise 70 GPa, aufweisen. Das Verhältnis der Elastizitätsmoduli des Grundkörpers und des Balkenelements kann zwischen 0,75 und 300

liegen.

Vorzugsweise ist das Balkenelement an einem Rand bzw. einem Randbereich des Grundkörpers befestigt, welcher im schwingenden Zustand des Grundkörpers eine maximale Auslenkung relativ zu einem nicht schwingenden Ruhezustand des Grundkörpers aufweist. Dadurch kann das Balkenelement besonders effizient zum Schwingen angeregt werden. Es können auch zwei oder mehrere Balkenelemente an dem Grundkörper befestigt sein, wobei jedes Balkenelement von einem Rand des Grundkörpers absteht. Die zwei oder mehreren Balkenelemente sind vorzugsweise jeweils an einem Randbereich, welcher im schwingenden Zustand des Grundkörpers eine maximale Auslenkung aufweist, befestigt. Die zwei oder mehreren Balkenelemente sind vorzugsweise im Wesentlichen an den

Amplitudenmaxima der Schwingung des Randbereichs befestigt.

Vorzugsweise ist der Grundkörper in der Resonanzfrequenz von zumindest einer zweidimensionalen Schwingungsmode anregbar, und das Balkenelement kann mit dem schwingenden Grundkörper quasistatisch mitschwingen oder durch den schwingenden Grundkörper in einer Resonanzfrequenz des Balkenelements angeregt werden. Im schwingenden Zustand des Grundkörpers kann das Balkenelement durch die Schwingung des Grundkörpers in Resonanz angeregt werden. Dies ist der Fall, wenn sich die Resonanzfrequenz des Grundkörpers, in welcher der Grundkörper angeregt wird, und eine Resonanzfrequenz des Balkenelements überschneiden. Wenn die Resonanzfrequenz, in

welcher der Grundkörper angeregt wird, von einer Resonanzfrequenz des Balkenelements

betragsmäfßig weit entfernt liegt, wird das Balkenelement nicht resonant angeregt und folgt der Schwingung des Grundkörpers bevorzugt quasistatisch. Im dem Fall, dass das Balkenelement resonant schwingt, kann das Balkenelement in eindimensionalen oder in zweidimensionalen Schwingungsmoden schwingen. Die Schwingungsmode des Grundkörpers kann beispielsweise eine Roof-Tile-förmige Schwingungsmode sein, zum Beispiel eine 12-Mode mit Resonanzfrequenzen zwischen 200 kHz und 2,5 MHz, bevorzugt 700 kHz oder 760 kHz oder einer 14-Mode mit Resonanzfrequenzen zwischen 500 kHz und 5 MHz, bevorzugt 3 MHz oder 2,2 MHz. Die Schwingungsmoden, in welchen der Grundkörper angeregt wird, weisen bevorzugt einen hohen Q-Faktor auf und werden somit nur schwach

gedämpft.

Der Grundkörper kann eine erste dynamische Federkonstante und das Balkenelement kann eine zweite dynamische Federkonstante aufweisen, wobei die erste dynamische Federkonstante größer ist als die zweite dynamische Federkonstante. Dadurch kann der Grundkörper in einer hohen Resonanzfrequenz schwingen, wobei das Balkenelement hochfrequent angeregt bzw. bewegt werden kann, und gleichzeitig eine, im Vergleich zu dem Grundkörper, niedrigere dynamische Federkonstante aufweist. Damit werden AFM Messungen mit hoher Abtastrate insbesondere von weichen Proben selbst in Flüssigkeit ermöglicht, ohne dass durch die Messung die Proben bzw. deren Oberflächeneigenschaften

verändert werden.

Vorzugsweise beträgt die Länge des Grundkörpers 100 um bis 2000 um und die Länge des Balkenelements 5 um bis 50 um. Das Längenverhältnis von dem Grundkörper und dem Balkenelement kann insbesondere größer als 2, bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt

größer als 200, noch mehr bevorzugt größer als 300 sein.

Vorzugsweise beträgt die Breite des Grundkörpers 100 um bis 2000 um und die Breite des Balkenelements 5 um bis 50 um. Das Breitenverhältnis von dem Grundkörper und dem Balkenelement kann insbesondere größer als 2, bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt

größer als 200, noch mehr bevorzugt größer als 300 sein.

Vorzugsweise beträgt die Dicke des Grundkörpers 5 um bis 20 um und die Dicke des Balkenelements 100 nm bis 500 nm. Die Dicke des Balkenelements kann auch bis zu 5 um

betragen. Das Dickenverhältnis von dem Grundkörper und dem Balkenelement kann

insbesondere größer als 10, bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt größer als 100,

noch mehr bevorzugt größer als 150 sein.

Zumindest eine Dimension des Grundkörpers und eine entsprechende Dimension des Balkenelements können ein Verhältnis von größer als 2, bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt größer als 100, noch mehr bevorzugt größer als 300 aufweisen, wobei die

Dimension eine Länge, Breite oder Dicke bzw. Höhe sein kann.

Der Grundkörper ist bevorzugt plattenförmig ausgestaltet, wobei im schwingenden Zustand des Grundkörpers Nodallinien der Schwingung im Wesentlichen parallel und/oder orthogonal zur Länge des Grundkörpers orientiert sind. Die zweidimensionale Schwingungsmode, in welcher der Grundkörper während einer Messung angeregt wird, weist, bezogen auf die Länge des Grundkörpers, bevorzugt parallele und/oder orthogonale Nodallinien auf. Entlang der Nodallinien ist die Amplitude der Schwingung null. Die Begriffe parallel und orthogonal beziehen sich darauf, in welcher Richtung der räumlichen Ausdehnung der Länge des Grundkörpers die Nodallinien liegen. Als Länge des Grundkörpers ist der Normalabstand zwischen einer ersten Kante und einer der ersten Kante gegenüberliegenden zweiten Kante zu verstehen, wobei an der ersten Kante bevorzugt das Balkenelement befestigt ist und an der zweiten Kante der Grundkörper beispielsweise an der Anregungsvorrichtung befestigt ist. Parallele Nodallinien liegen vor, wenn die Nodallinien parallel zur Längsausdehnung bzw. Länge des Grundkörpers verlaufen. Orthogonale Nodallinien liegen vor, wenn die Nodallinien orthogonal zur Längsausdehung bzw. Länge des Grundkörpers verlaufen. Die Nodallinien können insbesondere auch einen

geschwungenen oder schrägen Verlauf aufweisen.

Erfindungsgemäß ist ein Rasterkraftmikroskop vorgesehen, umfassend zumindest einen erfindungsgemäßen Cantilever, wobei das Rasterkraftmikroskop dazu eingerichtet ist, ein Probenmaterial, welches vorzugsweise ein organisches oder biologisches Probenmaterial umfasst, zu messen, wobei der Cantilever während der Messung die Probe rasterförmig abgetastet, sodass während der Abtastung des Probenmaterials die Messspitze des Balkenelements mit einer Oberfläche des Probenmaterials wechselwirkt, wobei während der Messung der Grundkörper des Cantilevers zum Schwingen in zumindest einer Resonanzfrequenz des Grundkörpers angeregt wird, welche einer Resonanzfrequenz einer

vorgegebenen zweidimensionalen Schwingungsmode entspricht, sodass der schwingende

Grundkörper eine erste dynamische Federkonstante aufweist, und das Balkenelement durch die Schwingung des Grundkörpers in Bewegung versetzt wird, wobei das bewegte Balkenelement eine zweite dynamische Federkonstante aufweist, wobei der in einer Resonanzfrequenz schwingende Grundkörper und das bewegte Balkenelement ein

gekoppeltes System bilden.

Das Balkenelement kann eine piezoelektrische Schicht aufweisen, wobei durch die Bewegungsänderung des Balkenelements auf Grund der Wechselwirkung der Messspitze mit dem Probenmaterial die piezoelektrische Schicht ein Messsignal erzeugen kann. Dieses

kann zur Analyse der Probenoberfläche herangezogen werden.

Die Bewegungsänderung des Balkenelements auf Grund der Wechselwirkung der Messspitze mit dem Probenmaterial kann zudem optisch, vorzugsweise mit einem auf das Balkenelement fokussierten Laserstrahl, gemessen werden. Dadurch kann die Bewegung des

Balkenelements erfasst und die Probenoberfläche gemessen werden.

Bei einer möglichen Verwendung des erfindungsgemäfßen Cantilevers ist dieser in einem Rasterkraftmikroskop eingebaut. Bei einer Messung eines Probenmaterials mit dem Cantilever bzw. dem Rasterkraftmikroskop können der Cantilever und das Probenmaterial während der Messung in eine Flüssigkeit, vorzugsweise vollständig, eingetaucht sein. Durch den zweiteiligen Aufbau des erfindungsgemäfßen Cantilevers wird dessen Schwingung in einer Flüssigkeit, im Vergleich zu einem gewöhnlichen schwingenden Balken, weniger stark gedämpft, wodurch die Messung des Probenmaterials in einer Flüssigkeit begünstigt wird. Natürlich sind ebenso Anwendungen in anderen, insbesondere gasförmigen oder

überkritischen, Medien möglich.

Im Rahmen dieser Beschreibung sind die Begriffe „oben“, „unten“, „horizontal“, „vertikal“ als Angaben der Ausrichtung zu verstehen, die sich auf eine Positionierung wie in den Figuren gezeigt beziehen und nicht als einschränkend in Bezug auf eine tatsächliche Orientierung des Cantilevers oder Rastermikroskops zu verstehen sind. Dies entspricht einem Cantilever in einem Rasterkraftmikroskop, welcher eine horizontale Oberfläche eines

Probenmaterials abtastet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, auf das

sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht einer schematischen Darstellung eines erfindungsgemäfßen Cantilevers;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Cantilevers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung des Cantilevers;

Fig. 4 eine schematische Darstellung von einer parallelen und einer orthogonalen Nodallinie

an dem Grundkörper des Cantilevers; und die

Fig. 5-8 verschiedene zweidimensionale Schwingungsmoden des Grundkörpers.

In den Figuren werden zur Vereinfachung die Komponenten eines Rasterkraftmikroskops nicht gezeigt, da die grundsätzlichen Ausführungen eines Rasterkraftmikroskops dem Fachmann wohlbekannt sind und sich diese Offenbarung in erster Linie auf einen Cantilever bezieht. Ferner entsprechen zur besseren Anschaulichkeit die Verhältnisse der Dimensionen der einzelnen Komponenten nicht den realen Dimensionsverhältnissen. Die Figuren sind daher als starke Vereinfachung zu verstehen, welche das Grundprinzip der Erfindung

ausreichend darstellen.

Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 zeigen verschiedenen Ansichten einer Ausführungsform des Cantilevers 1 für ein Rasterkraftmikroskop, wobei der Cantilever 1 einen Grundkörper 2 aufweist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 2 plattenförmig und rechteckig ausgebildet. Der Cantilever 1 weist zusätzlich ein Balkenelement 3 auf, welches an einer Befestigungsstelle 4 des Grundkörpers 2 an dem Grundkörper 2 befestigt ist. Ein erster Abschnitt 3a des Balkenelements 3 steht über einen Rand 5 des Grundkörpers 2 vor bzw. ragt über den Rand 5 des Grundkörpers 2 hinaus. Ein zweiter Abschnitt 3b des Balkenelements 3, jener Abschnitt der nicht über den Rand 5 vorsteht, dient zur Befestigung des Balkenelements 3 an dem Grundkörper 2. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist die Oberseite des zweiten Abschnitts 3b des Balkenelements 3 an der Unterseite eines Randbereichs des Rands 5 des Grundkörpers 2 befestigt. Das Balkenelement 3 kann auch mit einer seiner schmalen

Seitenflächen 6 direkt an einer schmalen Seitenfläche 7 des Grundkörpers 2 befestigt sein,

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sodass es keinen Überlappungsbereich zwischen dem Grundkörper 2 und dem Balkenelement 3 gibt. Das Balkenelement 3 weist eine Messspitze 8 auf, welche orthogonal von dem Balkenelement 3 absteht und an einem Endbereich 9 des ersten Abschnitts 3a des Balkenelements 3 angeordnet ist. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist die Messsitze 8 an einer

Unterseite des Balkenelements 3 angeordnet.

Bei einer Messung eines Probenmaterials mit dem Cantilever 1 kann der Grundkörper 2 durch eine externe periodische Kraft, welche von einer Anregungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereitgestellt wird, in einer Frequenz angeregt werden. Der schwingende Grundkörper 2 wird derart angeregt, sodass er im schwingenden Zustand in einer Resonanzfrequenz einer vorgegebenen zweidimensionalen Schwingungsmode schwingt. Der Grundkörper 2 weist im schwingenden Zustand bevorzugt parallele 10 und orthogonale Nodallinien 11 auf. Der bevorzugt plattenförmige Grundkörper 2 weist eine Längsausdehnung bzw. Länge und eine Querausdehnung bzw. Breite auf. Die parallelen Nodallinien 10 verlaufen bevorzugt entlang bzw. parallel zur Länge des Grundkörpers 2 und sind demnach parallel zu einer seitlichen Kante 2a des Grundkörpers orientiert. Die orthogonalen Nodallinien 11 verlaufen bevorzugt entlang der Breite des Grundkörpers 2 und sind demnach orthogonal zu der seitlichen Kante 2a (bzw. parallel zu einer vorderen Kante 2b) des Grundkörpers 2. Eine beispielhafte Anordnung von parallelen 10 und orthogonalen Nodallinien 11 an dem Grundkörper 2 sind in Fig. 4 gezeigt. Fig. 4 ist stark

vereinfacht und zeigt beispielsweise den Grundkörper 2 ohne einem Balkenelement 3.

Die Fig. 5-8 zeigen Beispiele für zweidimensionale Schwingungsmoden, in welchen der Grundkörper 2 während einer Messung angeregt werden kann. Gezeigt werden auch die Resonanzfrequenzen der entsprechenden Schwingungsmoden. Das (in den Fig. 5-8 nicht gezeigte) Balkenelement 3 ist bevorzugt an einem Randbereich des Rands 5 des Grundkörpers 2 befestigt, welcher im schwingenden Zustand des Grundkörpers 2 eine maximale Auslenkung relativ zu einem nicht schwingenden Ruhezustand des Grundkörpers 2 aufweist. Es können auch zwei oder mehrere Balkenstrukturen 3 an dem Grundkörper 2 befestigt sein, wobei bevorzugt jede Balkenstruktur 3 jeweils ein einem

Auslenkungsmaximum befestigt wird.

In den Fig. 5-8 ist auch der nicht schwingende Ruhezustand des Grundkörpers 2 gezeigt,

sodass man die Bereiche maximaler Auslenkung erkennen kann. Die 12-Mode bei 700 kHz

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(Fig. 5) hat beispielsweise einen Bereich, bei welchem der Rand 5 des Grundkörpers 2 maximal ausgelenkt wird, wobei dieser Bereich der Mitte der vorderen Kante 2b des Grundkörpers 2 entspricht. Wird die 12-Mode bei 700 kHz für die Anregung des Grundkörpers 2 gewählt, wird demnach das Balkenelement 3 bevorzugt in der Mitte der vorderen Kante 2b befestigt. Die 14-Mode bei 3,0 MHz (Fig. 6) weist mehrere Auslenkungsmaxima auf, wobei beispielsweise an einem, mehreren oder jedem

Auslenkungsmaxima ein Balkenelement 3 befestigt werden kann.

Im schwingenden Zustand des Grundkörpers 2 wird das Balkenelement 3 durch die Schwingung des Grundkörpers 2 in Bewegung versetzt. Das Balkenelement 3 kann, durch den schwingenden Grundkörper, in einer seiner Resonanzfrequenzen angeregt werden, oder der Schwingung des Grundkörpers quasistatisch folgen. Das resonant schwingende Balkenelement 3 schwingt insbesondere in einer eindimensionalen Schwingungsmode,

welche durch die Balkentheorie berechnet werden kann.

Der Grundkörper 2 kann beispielsweise aus Silizium oder Siliziumcarbid hergestellt sein und einen Elastizitätsmodul von beispielsweise 160 GPa aufweisen. Das Balkenelement 3 kann aus Gold, Silber, Aluminium, Silizium, Polymere oder Titan hergestellt sein und einen Elastizitätsmodul von beispielsweise 70 GPa aufweisen. Der Grundkörper 2 kann eine erste dynamische Federkonstante und das Balkenelement 3 eine zweite dynamische Federkonstante aufweisen, wobei die erste dynamische Federkonstante größer ist als die zweite dynamische Federkonstante. Die effektive dynamische Federkonstante des gekoppelten Systems ist insbesondere kleiner als die jeweiligen dynamischen

Federkonstanten des Grundkörpers 2 und des Balkenelements 3.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Länge des Grundkörpers 2 100 um bis 2000 um und die Länge des Balkenelements 3 5 um bis 50 um betragen. Die Breite des Grundkörpers 2 kann 100 um bis 2000 um und die Breite des Balkenelements 3 kann 5 um bis 50 um betragen. Die Dicke des Grundkörpers 2 kann 5 um bis 20 um und die Dicke des Balkenelements 3 kann 100 nm bis 5 um betragen. Der Überlappungsbereich kann 10% bis

50% der Gesamtlänge des Balkenelements 3 umfassen.

Claims

12 PATENTANSPRÜCHE

1. Cantilever (1) für ein Rasterkraftmikroskop, wobei der Cantilever (1) einen Grundkörper (2) aufweist, welcher durch eine externe periodische Kraft, welche von einer Anregungsvorrichtung bereitgestellt wird, in zumindest einer Frequenz anregbar ist, wobei der Grundkörper (2) im schwingenden Zustand in einer Resonanzfrequenz einer vorgegebenen zweidimensionalen Schwingungsmode schwingt, wobei der schwingende Grundkörper eine erste dynamische Federkonstante aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever (1) ein Balkenelement (3) aufweist, welches an einer Befestigungsstelle (4) des Grundkörpers (2) an dem Grundkörper (2) befestigt ist, wobei ein erster Abschnitt (3a) des Balkenelements (3) über einen Rand (5) des Grundkörpers (2) vorsteht, wobei das Balkenelement (3) eine Messspitze (8) aufweist, welche vorzugsweise orthogonal von dem Balkenelement (3) absteht und an dem ersten Abschnitt (3a) des Balkenelements (3) angeordnet ist, wobei im schwingenden Zustand des Grundkörpers (2) das Balkenelement (3) durch die Schwingung des Grundkörpers (2) in Bewegung versetzt wird, wobei das bewegte Balkenelement (3) eine zweite dynamische Federkonstante aufweist, wobei der in einer Resonanzfrequenz schwingende Grundkörper (2) und das bewegte Balkenelement (3)

ein gekoppeltes schwingendes System bilden.

2. Cantilever (1) nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper (2) ein erstes Material aufweist und das Balkenelement (3) ein zweites Material aufweist, wobei das erste und das

zweite Material unterschiedlich sind.

3. Cantilever (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Balkenelement (3) an einem Rand (5) des Grundkörpers (2) befestigt ist, welcher im schwingenden Zustand des Grundkörpers (2) eine maximale Auslenkung relativ zu einem nicht schwingenden

Ruhezustand des Grundkörpers (2) aufweist.

4. Cantilever (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) in der Resonanzfrequenz von zumindest einer zweidimensionalen Schwingungsmode anregbar ist und das Balkenelement (3) mit dem schwingenden Grundkörper (2) quasistatisch mitschwingt oder durch den schwingenden Grundkörper (2) in einer

Resonanzfrequenz des Balkenelements (3) angeregt wird.

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5. Cantilever (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) eine erste dynamische Federkonstante und das Balkenelement (3) eine zweite dynamische Federkonstante aufweisen, wobei die erste dynamische Federkonstante größer ist als die

zweite dynamische Federkonstante.

6. Cantilever (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge des Grundkörpers (2) 100 um bis 2000 um beträgt und die Länge des Balkenelements (3) 5 um bis 50 um beträgt.

7. Cantilever (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite des Grundkörpers (2) 100 um bis 2000 um beträgt und die Breite des Balkenelements (3) 5 um bis 50 um beträgt.

8. Cantilever (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke des Grundkörpers (2) 5 um bis 20 um beträgt und die Dicke des Balkenelements (3) 100 nm bis 500 nm beträgt.

9. Cantilever (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Dimension des Grundkörpers (2) und eine entsprechende Dimension des Balkenelements (3) ein Verhältnis von größer als 5, bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt größer als 100

aufweisen, wobei die Dimension eine Länge, Breite oder Höhe sein kann.

10. Cantilever (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) plattenförmig ausgestaltet ist und im schwingenden Zustand Nodallinien (10, 11) im

Wesentlichen parallel und/oder orthogonal zur Länge des Grundkörpers (2) orientiert sind.

11. Rasterkraftmikroskop, umfassend einen Cantilever (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rasterkraftmikroskop dazu eingerichtet ist, ein Probenmaterial, welches vorzugsweise ein organisches Material umfasst, zu messen, wobei der Cantilever (1) während der Messung die Probe vorzugsweise rasterförmig abtastet, wobei während der Abtastung des Probenmaterials die Messspitze (8) des Balkenelements (3) mit einer Oberfläche des Probenmaterials wechselwirkt, wobei während der Messung der Grundkörper (2) des Cantilevers (1) zum Schwingen in zumindest einer Resonanzfrequenz

des Grundkörpers angeregt wird, welche einer Resonanzfrequenz einer vorgegebenen

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zweidimensionalen Schwingungsmode entspricht, wobei der schwingende Grundkörper eine erste dynamische Federkonstante aufweist, und das Balkenelement (3) durch die Schwingung des Grundkörpers (2) in Bewegung versetzt wird, wobei das bewegte Balkenelement (3) eine zweite dynamische Federkonstante aufweist, wobei der in einer Resonanzfrequenz schwingende Grundkörper (2) und das bewegte Balkenelement (3) ein

gekoppeltes schwingendes System bilden.

12. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 11, wobei das Balkenelement (3) des Cantilevers (1) eine piezoelektrische Schicht aufweist, wobei durch die Bewegungsänderung des Balkenelements (3) auf Grund der Wechselwirkung der Messspitze (8) mit dem

Probenmaterial die piezoelektrische Schicht ein Messsignal erzeugen kann.

13. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 11, wobei die Bewegungsänderung des Balkenelements (3) auf Grund der Wechselwirkung der Messspitze (8) mit dem Probenmaterial optisch, vorzugsweise mit einem auf das Balkenelement (3) fokussierten

Laserstrahl, messbar ist.

14. Verwendung eines Cantilevers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Messung eines Probenmaterials, wobei der Cantilever (1) und das Probenmaterial während der

Messung in eine Flüssigkeit, vorzugsweise vollständig, eingetaucht sind.

15. Verwendung eines Rasterkraftmikroskops nach einem der Ansprüche 11 bis 13 zur Messung eines Probenmaterials, wobei das Probenmaterial während der Messung in eine

Flüssigkeit, vorzugsweise vollständig, eingetaucht ist.