DE19502822A1 - Verfahren zur Gewinnung eines abstandsabhängigen Signales bei der Rastersondenmikroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines abstandsabhängigen Signales zur Regelung der Distanz zwischen Tastspitze und Probenoberfläche zur Verwendung bei Rastersondenmikroskopien gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Rastersondenmikroskopien wie z. B. die Nahfeldoptik beruhen darauf, daß eine Sonde in geringem Abstand über eine Probenoberfläche geführt wird. Ein in der Nahfeldoptik verbreitetes Verfahren, den Abstand zwischen Sonde und Probe regulieren zu können, ist das Scherkraftverfahren (shear force). Dabei wird die Sondenspitze, die aus einigen Millimetern einer sich verjüngenden Glasfaser gebildet wird, bei einer Resonanzfrequenz durch einen piezoelektrischen Aktuator in transversale Schwingungen versetzt. Bei Annäherung der mit einer Amplitude von typisch unter 100 nm schwingenden Sondenspitze an die Oberfläche wirkt sich die entstehende seitliche Reibungskraft (Scherkraft) auf den Schwingungszustand der Sondenspitze aus. Bei bisherigen Implementationen dieses Verfahrens wird die Schwingung der Spitze abgetastet durch einen auf das vordere Ende der Faser fokussierten Laserstrahl. Durch die seitliche Bewegung der Spitze wird der Laserstrahl in der Amplitude moduliert. Die in ein elektrisches Signal gewandelte Intensität des modulierten Laserstrahles repräsentiert den Schwingungszustand der Spitze in Amplitude und Phase. Durch Vergleich dieses Signals mit der die Schwingung anregenden Wechselspannung erhält man eine Information über den Abstand der Sonde zur Oberfläche. Der Abstand kann damit durch eine Rückkopplung dieses Signals auf ein Positionierungselement von Sonde oder Probe konstant gehalten werden.

Ein Nachteil der Abtastung mit Laserstrahl ist die Notwendigkeit der geradlinigen Zugänglichkeit der vordersten Region der Spitze für den abtastenden Strahl bis zum Photodetektor, so daß nur sehr ebene Proben untersucht werden können. Weiterhin ist die Justierung und Fokussierung des Lasers auf die Faserspitze recht aufwendig. Ein besonderes Problem entsteht für die optische Nahfeldmikroskopie aus dem Licht des Abtastungslasers, das unvermeidlich in den Abbildungslichtweg des opt. Nahfeldmikroskopes gestreut wird. Dieses Licht muß mittels Filter von dem Licht der Arbeitswellenlänge getrennt werden und schränkt durch den notwendigen Wellenlängenunterschied den möglichen Wellenlängenbereich für die Arbeitsfrequenz ein. Andere Implementationen nutzen eine Reflexion des abtastenden Laserstrahles auf der Probenoberfläche, was wiederum die untersuchbaren Proben auf solche mit ausreichender Reflektivität beschränkt.

Das unter Anspruch 1 genannte Verfahren arbeitet auf rein elektronischem Weg ohne optische Abtastung der Schwingung der Spitze. Auch bei diesem Verfahren wird die Spitze durch einen Piezoaktuator in Schwingung versetzt. Die Spitze als schwingungsfähiges System stellt für den anregenden Piezo eine Last dar, die abhängig ist von der Lage der Anregungsfrequenz zu den Eigenfrequenzen der Spitze. Die Bewegung des Piezos ist demnach nicht nur eine Widerspiegelung der Anregungsspannung, sondern ist auch beeinflußt von der Bewegung der zu Schwingungen auf der Anregungsfrequenz gezwungenen Spitze. Die Phasenlage und Amplitude der Schwingung der Spitze ist abhängig von der Bedämpfung der Schwingung und der Resonanzfrequenzbeeinflussung durch Erhöhung der rücktreibenden Kraft als Folge der zunehmenden Scherkraft bei Annäherung an die Probenoberfläche. An der zusätzlichen Elektrode am Piezo liegt die Wechselspannung an, die durch den piezoelektrischen Effekt aus der resultierenden Bewegung des Piezos hervorgerufen wird. Diese Wechselspannung enthält die Amplituden und Phaseninformation über die schwingende Spitze.

Die Fig. 1 zeigt eine Umsetzung des in Anspruch 1 genannten Verfahrens, und soll im Folgenden näher erläutert werden.

Ein Computer bestimmt Frequenz und Amplitude eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO), mit dessen Ausgangsspannung der Piezoaktuator 1 und damit die Sonde 3 in mechanische Schwingungen versetzt wird. Die Frequenz des Oszillators wird so gewählt, daß sie mit einer Resonanzfrequenz der Spitze übereinstimmt. Die resultierende Bewegung des Systems Piezo-Spitze wird an der Abgriffelektrode 2 in eine elektrische Spannung umgesetzt, die im Vorverstärker mit automatischer Aussteuerung in eine Wechselspannung konstanter Amplitude gewandelt wird. Dabei entsteht ein Amplitudensignal, das direkt dem Computer zugeführt wird. Das verstärkte Wechselspannungssignal wird zusammen mit einem Referenzsignal aus dem VCO einem Phasenvergleicher eingespeist, dessen Ausgang die Phasenlage repräsentiert und wiederum in den Computer eingelesen wird. Ein Regelalgorithmus im Computer erzeugt aus den Eingangsinformationen ein Stellsignal, mit dem die Entfernung von Spitze 3 und Probe 4 über einen weiteren Piezoaktuator 5 nachgeregelt wird.

Claims (1)

1. Verfahren zur Gewinnung eines abstandsabhängigen Signales zur Regelung der Distanz zwischen Tastspitze und Probenoberfläche bei der Rastersondenmikroskopie, speziell der optischen Nahfeldmikroskopie, beruhend auf der die Schwingung beeinflussenden Wirkung der Scherkräfte zwischen der in Resonanz schwingenden Sondenspitze (3) und der Probenoberfläche (4) dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungszustand der Sondenspitze (3) durch Auswertung der durch den (inversen) piezoelektrischen Effekt an einer Abgriffelektrode (2) entstehenden elektrischen Signale am Anregungspiezo (1) selbst oder einem zusätzlich angebrachten piezoelektrischen Wandler detektiert wird.