DE4428526A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Messungen an einem Festkörper - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von Messungen an einem Festkör­ per, in welchem, aufgrund von Oberflächenschwingungen und/oder -wellen ein akustisches Schwingungs- bzw. Wellen­ feld vorliegt, unter Anwendung einer in unmittelbarer Nach­ barschaft zur untersuchenden Oberfläche positionierten Tast­ spitze, welche in Kraftwechselwirkung mit der Oberfläche steht, wobei das zu untersuchende Schwingungs- bzw. Wellen­ feld mit einer erwünschten Betriebsfrequenz im Festkörper er­ zeugt und mit einem Hilfssignal die Kraftwechselwirkung derart beeinflußt wird, daß die resultierende niederfrequen­ te Auslenkung der Tastspitze über den Frequenzunterschied zwischen der Betriebsfrequenz des zu untersuchenden Schwin­ gungs- bzw. Wellenfeldes und der Frequenz des Hilfssignals detektiert werden kann, wobei dieser Frequenzunterschied höchstens so groß wie und vorzugsweise kleiner als die Reso­ nanzfrequenz der aus Tastspitze und Tastspitzenaufhängung be­ stehende Tastspitzenanordnung ist.

Mit anderen Worten befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einem Verfahren zum Betrieb eines Atomkraftmikroskops bzw. mit einer entsprechenden Vorrichtung.

In der Vergangenheit wurden zur Untersuchung von akustischen Oberflächenschwingungen und -wellen in Festkörpern, d. h. zur Ausmessung von Amplitude, Phase und Frequenz, verschiedene optische, elektronenoptische und röntgentopographische Ver­ fahren eingesetzt. Bei diesen alten Verfahren ist eine höhere Ortsauflösung nur mit höherem apparativem Aufwand er­ reichbar. Die Auflösungsgrenze ist durch die Möglichkeiten der Fokussierung bestimmt. Ihre Anwendbarkeit ist darüber hinaus auf bestimmte Material- bzw. Oberflächeneigenschaften des untersuchten Festkörpers angewiesen. So benötigen bei­ spielsweise optische Verfahren gut reflektierende Oberflä­ chen und elektronenoptische Verfahren Material, das piezoe­ lektrische Eigenschaften aufweist.

Beispielsweise sind optische Verfahren in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferrooelectrics and Frequency Control UFFC-33 (1986) auf den Seiten 485-499 und in Applied Physics Letters 56 (1990), auf den Seiten 2295-2297 beschrieben. Zur Röntgentopographie kann auf Phys. stat. sol (a) 82 (1984), Seiten 353-45 und 87 (1985), Seiten 507-516 verwiesen werden.

Elektronenoptische Verfahren sind u. a. in der Zeitschrift Scanning Electron Microscopy (1983), Heft 1, auf den Seiten 55-63 beschrieben.

Eine höhere Ortsauflösung kann mit einer tunnelmikroskopi­ schen Anordnung erreicht werden, wie beispielsweise in den DDR-Patentschriften DD 2 88 881, DD 2 88 882 und DD 2 88 883 be­ schrieben. Jedoch bedarf diese Methode einer elektrisch leit­ enden Oberfläche des untersuchten Festkörpers, damit der Stromfluß gewährleistet werden kann.

Selbst Untersuchungen zur Anwendung des Kraftmikroskops, das eine hohe Ortauflösung in bisherigen Anwendungen gezeigt hat, erbrachten für akustische Schwingungen und Wellen bisher nur eine Methode zum Nachweis vorhandener Partikelbe­ wegung, beinhalten aber keine Lösung der Frage, wie man Am­ plitude und Phase unabhängig voneinander messen soll. Der Stand der Technik zu der Anwendung des Kraftmikroskopes ist beispielsweise im japanischen Journal of Applied Physics, Heft 32 (1993) L1095 bis L1097 beschrieben.

An dieser Stelle soll auch auf den Aufsatz "Detection of Sur­ face Acoustic Waves by Scanning Force Microscopy" durch die Herren W. Rohrbeck und E. Chilla in Phys. stat. Sol (a) 131, 69 (1992), auf den Seiten 69-71 verwiesen werden.

In diesem Aufsatz wird eine Vorrichtung gezeigt, bei der zwei HF-Generatoren mit jeweiligen Dämpfungsgliedern gemein­ sam an einem an einer Festkörperprobe angebrachten elektroa­ kustischen Wandler anliegen. Eine Tastspitze eines Atomkraft­ mikroskops befindet sich unmittelbar oberhalb der Oberfläche der Festkörperprobe und ist auf eine blattfederartige Aufhän­ gung montiert. Auf dieser Aufhängung befinden sich zwei pie­ zoelektrische Einrichtungen. Die erste erzeugt ein Signal proportional zur atomaren Kraft, die auf die Tastspitze von der Festkörperprobe einwirkt und eine entsprechende Durchbie­ gung der Aufhängung der Tastspitze verursacht. Das Signal dieser Piezoeinrichtung wird aber auch über einen Verstär­ ker, einen Gleichrichter und einen Integrator herangezogen, um ein Regelsignal zu erzeugen, das über die zweite Piezoein­ richtung (eine piezoelektrische Verschiebeeinrichtung) die Lage der Tastspitze in der Z-Richtung senkrecht zur Ebene der Festkörperprobe regelt, wobei die Regelung bestrebt ist, einen konstanten Abstand zwischen der Tastspitze und der Pro­ benoberfläche sicherzustellen.

Bei der im Aufsatz beschriebenen Anordnung werden die zwei Signale von den zwei HF-Generatoren gemeinsam an den aku­ stoelektrischen Wandler an der Oberfläche des Festkörpers sowie an den einen Eingang eines Oszilloskops angelegt. Das Ausgangssignal des an der Tastspitze angeschlossenen Verstär­ kers wird ebenfalls dem Oszilloskop zugeführt.

Im Aufsatz wird erläutert, daß die Betriebsfrequenzen der beiden HF-Generatoren mit einem Frequenzunterschied von 1,1 kHz gewählt werden, welche der Resonanzfrequenz der pie­ zoelektrischen Einrichtung entspricht, die für die Positions­ steuerung in der Z-Richtung zuständig ist. Es ist festge­ stellt worden, daß das Anlegen der beiden Signale der beiden HF-Generatoren an den elektroakustischen Wandler an der Tastspitze zu einer Frequenzmischung führt, wodurch der Fre­ quenzunterschied von 1,1 kHz an der Tastspitze, d. h. am Aus­ gang des Verstärkers mit Hilfe eines Oszilloskops ermittelt werden konnte.

In diesem Aufsatz wird anerkannt, daß die Phaseninformation der beiden von den RF-Generatoren angeregten Wellen mit der Differenzfrequenz linear in das Ausgangssignal übertragen wird. Solche Phaseninformation ist deshalb von Bedeutung, weil beispielsweise durch Messung der Phasenunterschiede an beabsichtigten Stellen an der Probenoberfläche die Ausbrei­ tungsgeschwindigkeit der akustischen Welle ermittelt werden kann.

Es wird aber im Aufsatz festgestellt, daß, wenn man die Tat­ sache der linearen Übertragung der Phaseninformation ausnüt­ zen möchte, es erforderlich ist, den Kraftsensor weit unter­ halb der Resonanzfrequenz zu betreiben, da in der Nähe der Resonanzfrequenz eine starke zusätzliche Phasenverschiebung eintritt, die zu einem wesentlichen Verlust an Empfindlich­ keit führen würde. Der Aufsatz kommt zu dem Ergebnis, daß für zwei Oberflächenwellen, welche sich mit unterschiedli­ chen Frequenzen entlang eines Kristalls ausbreiten, ein Signal mit der Unterschiedsfrequenz im Kraftsensor erregt wird und daß Phaseninformation von diesem Signal entnehmbar ist, wenn ein erheblicher Verlust an Empfindlichkeit tole­ riert werden kann.

Kraftmikroskope können auch für Untersuchungen an integrier­ ten Schaltkreisen für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb einge­ setzt werden. In diesem Zusammenhang wird auf die vierte technische Mitteilung der Firma Park Scientific Instruments mit der Bezeichnung PSI Probe Spring 93 verwiesen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, mit hoher Empfindlichkeit und geringem Aufwand Messungen von Pa­ rametern akustischer Schwingungszustände und Wellenfelder an Festkörperoberflächen durchzuführen, wodurch eine Messung der Partikelverschiebungen mit hoher Ortsauflösung, insbeson­ dere auch an elektrischen isolierenden Oberflächen ermög­ licht werden soll.

Anwendungsmöglichkeiten liegen überall dort, wo Oberflächen fester Stoffe und Mikrostrukturen hinsichtlich akustischer Schwingungszustände und Wellenfelder untersucht werden sollen, z. B. in akustischen Oberflächenwellenbauelementen (AOW-Bauelementen) und bei der Diagnostik elastischer Eigen­ schaften von oberflächennahen Bereichen und dünnen Schich­ ten, beispielsweise in der Metallurgie.

Zur erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe wird für Phasen­ und/oder Amplitudenmessungen verfahrensmäßig vorgesehen, daß mittels eines Frequenzmischers der Frequenzunterschied zwi­ schen der Betriebsfrequenz der Oberflächenschwingungen bzw. -wellen und der Frequenz des Hilfssignals erzeugt und als Re­ ferenzsignal am Referenzeingang eines phasenempfindlichen Verstärkers angelegt wird, an dessen anderen Eingang das nie­ derfrequente Auslenkungssignal von der Tastspitze angelegt wird, wobei die Messungen anhand des Ausgangssignals des pha­ senempfindlichen Verstärkers durchgeführt werden.

Vorrichtungsmäßig zeichnet sich die Lösung dadurch aus, daß ein Frequenzmischer vorgesehen ist, der den Frequenzunter­ schied Δf zwischen der Betriebsfrequenz der Oberflächen­ schwingungen bzw. -wellen und der Frequenz f_h=f±Δf des Hilfs­ signals erzeugt, wobei der Referenzsignalausgang des Fre­ quenzmischers am Referenzeingang eines phasenempfindlichen Verstärkers angelegt wird, daß eine Einrichtung zur Ermitt­ lung der Auslenkungen der Tastspitze vorgesehen ist, deren Ausgangssignal an den anderen Eingang des phasenempfindli­ chen Verstärkers angelegt ist, und daß die Messungen anhand des Ausgangssignals des phasenempfindlichen Verstärkers er­ folgen.

Durch die Verwendung eines phasenempfindlichen Verstärkers, beispielsweise in Form eines Lock-in-Verstärkers, können ge­ trennt voneinander die Amplitude und Phase akustischer Schwingungszustände und -wellen mit der für Kraftmikroskope typischen Ortsauflösung in Sub-µm-Bereich durchgeführt werden. Es wird keine speziell behandelte Oberfläche benö­ tigt und die Vorrichtung ist für elektrisch leitende wie für elektrisch isolierende Festkörper bzw. Probenoberflächen gleichermaßen nutzbar.

Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß elektrisch leit­ ende wie elektrisch nichtleitende Bereiche der Oberfläche mit der gleichen Meßanordnung in einem Arbeitsgang bezüglich der Parameter akustische Schwingungszustände und Wellenfel­ der untersucht werden können, wobei der apparative Aufwand trotz hoher Leistungsfähigkeit des Meßverfahrens gering ist.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß die Festkörper, die untersucht werden müssen, unter vielfältigen äußeren Be­ dingungen vermessen werden können, z. B. in der Luft, in be­ sonderer Gasatmosphäre, in Vakuum, bei Raumtemperatur oder bei höheren oder niedrigeren Temperaturen.

Es bestehen verschiedene Möglichkeiten das Hilfssignal zu er­ zeugen und zu verwenden. Eine Möglichkeit besteht darin, das Hilfssignal mittels eines weiteren elektroakustischen Wand­ lers in Form einer akustischen Welle auf den Festkörper zu übertragen. Es ist aber auch durchaus möglich, das Signal des Hilfsgenerators an die Tastspitze bzw. deren Aufhängung anzulegen, da auch dies zu der erwünschten Wechselwirkung im Takt der Differenzfrequenz führt. Es ist auch möglich, zwei optische Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen auf der Oberfläche des Festkörpers unterhalb der Tastspitze einwir­ ken zu lassen, da die Wechselwirkung der beiden Lichtwellen ebenfalls zu der erwünschten Modulation der Schwingungs- bzw. Wellenfelder mit der Unterschiedsfrequenz führt.

Darüber hinaus ist es nicht nur möglich die Amplitude und Phase der untersuchten Oberflächenwellen zu ermitteln, son­ dern es kann auch eine Art Kraftspektroskopie durchgeführt werden. Hiermit ist gemeint, eine Untersuchung des Spektrums der Kräfte, welche zwischen der Oberfläche einer Probe und der Tastspitze zur Einwirkung gelangen, wobei es möglich sein dürfte, aufgrund der Ermittlung des entsprechenden Spek­ trums, neuere Erkenntnisse über die Wechselwirkung zu erlan­ gen und beispielsweise auch die Art des Materials und Gefüges an der Oberfläche der Probe schnell zu ermitteln. Diese Möglichkeit der Kraftspektroskopie ist durch den neben­ geordneten Verfahrensanspruch 7 und den nebengeordneten Vor­ richtungsanspruch 17 näher definiert.

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert, anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung, in welcher zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Amplitu­ de und Phase von Oberflächenwellen,

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich der Fig. 1, jedoch an einer abgewandelten Vorrichtung,

Fig. 3 eine weitere mögliche Ausführungsform einer Vorrich­ tung zur Bestimmung der Amplitude und Phase von Ober­ flächenwellen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung von Kraftspektroskopie,

Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung der Fig. 4, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Er­ mittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer aku­ stischen Welle aus Phasenmessungen an mindestens zwei Punkten längs der Ausbreitungsrichtung.

Fig. 1 zeigt zunächst die Spitze 1a eines dem Stand der Tech­ nik entsprechenden Kraftmikroskops 1, welche sich in unmit­ telbarer Nachbarschaft zu der Oberfläche einer Festkörperpro­ be 2 befindet. Auf dieser Oberfläche breitet sich eine aku­ stische Oberflächenwelle (AOW) aus, die von einem elektroaku­ stischen Wandler 3 angeregt wird. Die Anregungsspannung bei der Frequenz f wird von einem Betriebsgenerator 5 bereitge­ stellt, dessen Ausgang an den elektroakustischen Wandler 3 angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung des Betriebsgenera­ tors 5 wird im übrigen an den einen Eingang eines Mischers 7 angelegt. Die Bezeichnung "Betriebsgenerator" wird hier zum Unterscheiden dieses Generators von dem später erwähnten "Hilfsgenerator" verwendet und bedeutet nicht, daß es sich hier um den Generator handelt, der für den normalen Betrieb des Bauelements verwendet wird, obwohl dies auch nicht ausge­ schlossen ist. Der Generator 5 ist als der Betriebsgenerator für die Durchführung der Messung zu verstehen.

An der Probenoberfläche wird neben der akustischen Oberflä­ chenwelle eine weitere akustische Welle wirksam, die von einem Wandler 4 angeregt wird. Die Speisespannung für den Wandler 4 kommt von einem Hilfsgenerator 6. Auch das Aus­ gangssignal des Hilfsgenerators 6 wird dem Mischer zugeführt und dort an einen zweiten Eingang angelegt. Am Ausgang des Mischers 7 entsteht dann eine Differenzfrequenz der Ausgangs­ spannungen der Generatoren 5 und 6 und diese Differenzfre­ quenz wird dem Referenzeingang eines phasenempfindlichen Ver­ stärkers in Form des Lock-in-Verstärkers 8 zugeführt. Das Ausgangssignal des Kraftmikroskops 1 wird an dem Signalein­ gang des phasenempfindlichen Verstärkers 8 angelegt. Der Am­ plitudenausgang des Lock-in-Verstärkers gibt ein Signal ab, das eine eichbare Funktion der akustischen Amplitude am Ort der Meßspitze ist. Der Phasenausgang liefert die relative Phase der akustischen Oberflächenwelle bezüglich der Phase des Hilfssignals.

Diese Vorrichtung beruht auf folgender Arbeitsweise. Das aku­ stische Hilfssignal vom Generator 6 hat eine Frequenz f_h, welche um Δf höher oder niedriger ist als die Betriebsfre­ quenz f der zu messenden Partikelverschiebung. Δf ist dabei kleiner als die oder gleich der mechanischen Resonanzfre­ quenz der Meßspitze des Kraftmikroskops, vorzugsweise aber kleiner. Es ist festgestellt worden, daß die Meßspitze in diesem Fall periodische Bewegungen mit der Frequenz Δf um ihre Ruhelage ausführt, die mit Hilfe der üblichen Anordnung des Kraftmikroskops zur Gewinnung eines elektrischen Aus­ gangssignals zu einem Signal der Frequenz Δf führt. Dieses Signal wird erfindungsgemäß dem Eingang eines Lock-in-Ver­ stärkers zugeführt, dessen Referenzkanal von dem Referenzsig­ nal gespeist wird, das durch Abwärtsmischung der Frequenzen der Wechselspannungen U und U_h des Betriebsfrequenzgenera­ tors 5 bzw. des Hilfsgenerators 6 in einer Frequenzmischstu­ fe 7 erzeugt wird. U ist dabei die Wechselspannung, die den elektroakustischen Wandler 3 speist, der den zu untersuchen­ den Schwingungszustand anregt, während U_h die Wechselspan­ nung ist, die vom Hilfsgenerator 6 kommend das akustische Hilfssignal erzeugt.

Es soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, daß die Gewinnung eines elektrischen Ausgangssignals von einem Kraft­ mikroskop auf verschiedene Weise erfolgen kann. Beispielswei­ se kann auf der Aufhängung der Tastspitze ein piezoelektri­ sches Element vorgesehen werden, das aufgrund der in der Auf­ hängung der Tastspitze durch die Kraftwechselwirkung erzeug­ ten Spannungen verformt wird und hierdurch ein piezoelektri­ sches Signal erzeugt. Besonders empfindlich kann die Auslen­ kung der Aufhängung der Tastspitze. d. h. die Auslenkung der Tastspitze ermittelt werden, wenn ein Lichtstrahl, beispiels­ weise ein Laserstrahl darauf gerichtet wird, und das von der Aufhängung reflektierte Licht photoelektrisch detektiert wird. Diese photoelektrische Detektion kann beispielsweise dadurch erzielt werden, daß das Licht auf zwei nebeneinander angeordnete Photoempfänger fällt, deren Ausgangssignale zur Bildung eines Differenzsignals voneinander subtrahiert werden, wobei die Amplitude des Differenzsignals das Ausmaß der ungleichmäßigen Beleuchtung der beiden Photoempfänger wiederspiegelt, die wiederum proportional zur Auslenkung der Tastspitzenaufhängung ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor­ richtung wird nunmehr anhand der Fig. 2 beschrieben. In dieser Figur deuten die gleichen Bezugszeichen auf Bauteile hin, die die gleiche Funktion aufweisen, wie die entspre­ chend gekennzeichneten Bauteile in Fig. 1.

Bei der Ausführung der Fig. 2 befindet sich die Spitze 1a eines dem Stand der Technik entsprechenden Kraftmikroskops 1 in einem sehr geringen Abstand (im Bereich von nm) über der Oberfläche der Probe 2. Auf dieser Oberfläche breitet sich eine akustische Oberflächenwelle (AOW) aus, die vom Wandler 3 angeregt wird. Die Anregungsspannung bei der Betriebsfre­ quenz f wird vom Betriebsgenerator 5 bereitgestellt. Zwi­ schen der Tastspitze und der Oberfläche der Festkörperprobe wird ein elektrisches Feld wirksam, das durch Anlegen einer Wechselspannung an der Spitze 1a mit Gegenpol an der Rücksei­ te der Festkörperprobe 2, z. B. am elektrisch leitenden Pro­ benhalter, erzeugt wird. Die Ausgangsspannungen des Betriebs­ generators 5 und des Hilfsgenerators 6 werden auch in diesem Beispiel einem Mischer 7 zugeführt, an dessen Ausgang eine Spannung mit der Differenzfrequenz beider Generatoren 5 und 6 abgenommen wird. Die Ausgangsspannung des Kraftmikroskops 1 und die Ausgangsspannung des Mischers 7 beaufschlagen den Signal- bzw. den Referenzeingang des Lock-in-Verstärkers 8. Der Amplitudenausgang des Lock-in-Verstärkers gibt ein Signal ab, das eine eichbare Funktion der AOW-Amplitude am Ort der Meßspitze und des elektrischen Feldes ist; der Pha­ senausgang liefert die Phase der AOW relativ zur Phase des elektrischen Feldes.

In diesem Beispiel mit elektrischem Hilfssignal wird der kraftmikroskopischen Anordnung ein elektrisches Hilfssignal auf solche Weise zugeführt, daß zwischen Spitze und Oberflä­ che eine elektrische Feldstärke erzeugt wird. Die Frequenz f_h dieses Hilfssignals ist um Δf höher oder niedriger als die Frequenz der Partikelverschiebung des zu messenden Schwingungszustandes, und Δf ist kleiner als die oder gleich der mechanischen Resonanzfrequenz der Meßspitze des Kraftmi­ kroskops, vorzugsweise aber kleiner. Es wurde gefunden, daß die Meßspitze in diesem Fall periodische Bewegungen mit der Frequenz Δf um ihre Ruhelage ausführt, die mit Hilfe der üb­ lichen Anordnung des Kraftmikroskops zur Gewinnung eines elektrischen Ausgangssignals mit der Frequenz Δf führt. Dieses Signal wird erfindungsgemäß dem Signaleingang eines Lock-in-Verstärkers zugeführt, dessen Referenzkanal von einem Referenzsignal gespeist wird, das durch Abwärtsmi­ schung der Frequenzen der Wechselspannungen U und U_h des Be­ triebsgenerators 5 bzw. des Hilfsgenerators 6 erzeugt wird. Dabei ist wiederum U die Wechselspannung, die den zu untersu­ chenden Schwingungszustand mit Hilfe des elektroakustischen Wandlers 3 anregt, während U_h die Wechselspannung ist, die das elektrische Hilfsfeld zwischen Tastspitze 1a und der Pro­ benoberfläche 2 erzeugt.

Es ist auch ein Ausführungsbeispiel möglich, das mit einem optischen Hilfssignal arbeitet. Ein solches Beispiel ist der Fig. 3 zu entnehmen. Auch hier werden die gleichen Bezugszei­ chen zur Bezeichnung von Bauteilen verwendet, welche funk­ tionsmäßig den entsprechend gekennzeichneten Bauteilen der Fig. 1 entsprechen. Die Spitze 1a eines dem Stand der Tech­ nik entsprechenden Kraftmikroskops 1 befindet sich auch in diesem Beispiel in unmittelbarer Nachbarschaft zur Oberflä­ che der Probe 2, so daß eine Kraftwechselwirkung zwischen der Tastspitze und dieser Oberfläche auftritt, welche durch Auslenkung der Aufhängung der Tastspitze detektierbar ist. Auf dieser Oberfläche der Festkörperprobe breitet sich eine akustische Oberflächenwelle (AOW) auf, die vom Wandler 3 an­ geregt wird. Die Anregungsspannung bei der Betriebsfrequenz f wird auch hier von einem Betriebsgenerator 5 bereitge­ stellt. An der Probenoberfläche, unmittelbar unter der Spitze 1a wird neben der AOW ein Paar von Lichtwellen mit den Frequenzen f₀+f_m und f₀-f_n wirksam, die in einem aku­ stooptischen Modulator 9 aus einem Laserstrahl der Frequenz f₀ erzeugt werden, der aus dem Laser 10 austritt. Die Spei­ sespannung bezieht der Modulator 9 vom Generator 11. Der Aus­ gang des Generators 11, welcher ein Signal mit der Frequenz f_m liefert, ist gleichzeitig mit dem Eingang eines Frequenz­ verdopplers 12 verbunden, dessen Ausgang mit dem einen Ein­ gang des Frequenzmischers 7 verbunden ist, während der andere Eingang des Mischers 7 eine Verbindung zum Ausgang des Generators 5 hat. Am Mischerausgang wird eine Spannung bei der Differenzfrequenz der beiden Eingangsspannungen ent­ nommen und zum Referenzeingang des Lock-in-Verstärkers 8 ge­ führt. Der Signaleingang des Lock-in-Verstärkers 8 ist wie­ derum mit dem Signalausgang des Kraftmikroskops 1 verbunden. Auch hier stehen an den Ausgängen des Lock-in-Verstärkers 8 Amplituden- und Phasensignale des Oberflächenwellenfeldes zur Verfügung.

Diese Ausführungsform beruht auf dem Konzept, daß zwei Licht­ wellen der kraftmikroskopischen Anordnung auf solche Weise zugeführt werden, daß sie auf die Probenoberfläche unter der Spitze des Kraftmikroskops auftreffen. Die beiden Lichtwel­ len, zweckmäßigerweise Laserstrahlen, werden mit Hilfe eines Modulators, der akustooptisch oder elektrooptisch arbeiten kann, aus einer monochromatischen Lichtwelle der Frequenz f₀ erzeugt und haben somit die Frequenzen f₀+f_m und f₀-f_m, wobei f_m die Modulationsfrequenz ist. Das Doppelte dieser Mo­ dulationsfrequenz ist um Δf höher oder niedriger als die Fre­ quenz der zu messenden Partikelverschiebung an der Oberflä­ che der Probe, wobei Δf kleiner als die oder gleich der me­ chanischen Resonanzfrequenz der Meßspitze des Kraftmikros­ kops ist. Es erfolgt eine Frequenzmischung im Bereich unter­ halb der Tastspitze aus den Frequenzen f, f₀+f_m und f₀-f_m. Bei dieser Mischung wird u. a. die Frequenzkomponente |f-2f_m|=Δf erzeugt. Es ist herausgefunden worden, daß die Meßspitze auch in diesem Fall periodische Bewegungen mit der Frequenz Δf um ihre Ruhelage ausführt, die mit Hilfe der üb­ lichen Anordnung zur Gewinnung des elektrischen Ausgangssig­ nals des Kraftmikroskops zu einem Signal der Frequenz Δf führt. Dieses Signal wird erfindungsgemäß dem Eingang eines Lock-in-Verstärkers zugeführt, dessen Referenzkanal von einem Referenzsignal gespeist wird, das von dem Mischer 7 kommt. Das Signal vom Mischer 7 enthält ebenfalls eine Fre­ quenzkomponente mit der Frequenz Δf. Diese Komponente ent­ steht aus der Mischung der Frequenz 2f_m vom Generator 12 mit der Betriebsfrequenz f.

Es kann auch ein Lichtwellenpaar mit den Frequenzen f₀ und f₀-f_m oder ein Lichtwellenpaar mit den Frequenzen f₀ und f₀+f_m benutzt werden, wobei die Modulationsfrequenz f_m um Δf höher oder niedriger als die Frequenz der zu messenden Parti­ kelverschiebung gewählt wird und Δf wiederum kleiner als die oder gleich der mechanischen Resonanzfrequenz der Meßspitze des Kraftmikroskops ist. In diesen beiden Fällen ist im Signalzweig zwischen Modulatorgenerator und Mischer kein Fre­ quenzverdoppler vorhanden. Die eigentliche Frequenz f₀ des Lasers 10 ist unkritisch.

Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung zur Durchführung von Kraft­ spektroskopie. Ein Hochfrequenzgenerator 5a, der von einem Niederfrequenzgenerator 6b mit der Frequenz Δf moduliert wird, speist den elektroakustischen Wandler 3 der Probe 2 mit der Frequenz f, die sich aus der internen Frequenz f_int des Generators 5a und der Frequenz Δf des Generators 5b gemäß f=f_int+Δf oder f=f_int-Δf durch Einseitenbandmodulation ergibt. Der Generator 5b speist gleichzeitig den Referenzein­ gang des Lock-in-Verstärkers. Ein durchstimmbarer Generator 6 erzeugt mit Hilfe des Wandlers 4 an der Oberfläche der Probe 2 ein akustisches Hilfsfeld der Frequenz f_h, wobei die Durchstimmung der Frequenz f_h wenigstens den Teilbereich f/m bis f oder den Teilbereich f bis mf überdeckt und worin m eine ganze Zahl ist, die wenigstens so groß ist wie die um 1 verminderte höchste Potenz n_max, die bei der Darstellung der Kraft als Potenzfunktion bei der kraftspektroskopischen Mes­ sung erfaßt werden soll. Durch die Überlagerung des akusti­ schen Schwingungszustandes oder Wellenfeldes mit dem Hilfs­ feld an der Probenoberfläche und die Kraftwirkung zwischen Spitze und Oberfläche entsteht eine mechanische Schwingung der Meßspitze mit der Frequenz Δf immer dann, wenn die Hilfs­ frequenz sich um Δf von f/m bzw. mf unterscheidet und die zu m gehörende Potenz in wenigstens einem Term in der Kraftfunk­ tion wirksam ist. Die Schwingung der Meßspitze 1a führt auf bekannte Weise zu einem elektrischen Ausgangssignal der kraftmikroskopischen Anordnung 1, das dem Signaleingang eines Lock-in-Verstärkers 8 zugeführt wird. Beim Durchstim­ men der Hilfsfrequenz wird bei allen Momentanfrequenzen f_h, bei denen die Meßspitze mit der Frequenz Δf schwingt, der Am­ plitudenausgang des Lock-in-Verstärkers 8 einen Signalwert anzeigen. Bei Synchronisation der Generatoren 5 und 6 sind durch das Signal am Phasenausgang des Lock-in auch die Vor­ zeichen des Amplitudensignals bestimmt.

Die Anordnung nach Abb. 4 kann in vielerlei Hinsicht gemäß dem der Erfindung zugrundeliegenden Gedankengut modifiziert werden. Solche Modifizierungen sind z. B. der Austausch des Lock-in gegen ein auf die Frequenz Δf eingestelltes frequenz­ selektives Voltmeter (mit Verzicht auf die Polaritätserken­ nung des Meßsignals), die Ableitung des Referenzsignals für den Lock-in-Verstärker durch Frequenzteilung wie in Fig. 5 dargestellt, die Verwendung anderer Hilfssignale als das aku­ stische Hilfsfeld usw.

Die Anordnung mit durchstimmbarer Hilfsfrequenz erweitert das Anwendungsgebiet auf die Messung bzw. Erkennung der funk­ tionellen Abstandsabhängigkeit der Kräfte, die zwischen Spitze (Meßsonde) und fester Oberfläche wirken. Hierbei geht es nicht um die explizite Messung von Amplitude und Phase in Abhängigkeit von Ortspositionen der Spitze, wie bisher be­ schrieben, z. B. um die Auswertung der Ortsabhängigkeit der Phase zwecks Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von akustischen Oberflächenwellen, sondern um die Messung an einer festen Position. Diese besteht in der Erfassung der Am­ plitude der niederfrequentperiodischen mechanischen Auslen­ kung der Spitze bei einer Frequenz, die bei oder unterhalb der Resonanzfrequenz der Spitze liegt, in Abhängigkeit von der Hilfsfrequenz, wobei die Hilfsfrequenz über einen weiten Bereich langsam im Vergleich zur Periodendauer der mechani­ schen Auslenkung der Spitze durchgestimmt wird. Hat das aku­ stische Wellenfeld die Frequenz f, so bedeutet "weiter Be­ reich", daß die Hilfsfrequenz wenigstens im Teilbereich von f/12 bis f oder im Teilbereich von f bis 12 f durchgestimmt wird. Vorteilhaft ist jedoch die Durchstimmung über beide Teilbereiche. Es wurde nämlich gefunden, daß neben der mecha­ nischen Schwingung, die auftritt, wenn die Hilfsfrequenz um Δf größer oder kleiner als die Frequenz der akustischen Schwingung oder Welle ist, wobei Δf gleich oder kleiner als die mechanische Resonanzfrequenz der Spitze ist, auch mecha­ nische Schwingungen auftreten können, wenn die Hilfsfrequenz um Δf größer oder kleiner als das m-fache bzw. der m-te Teil der Frequenz der akustischen Schwingung oder Welle ist, wobei Δf die o.g. Frequenz ist und m ganze Zahlen (m = 2,3,4, . . . ) sind.

Aus dem Auftreten von Signalen bei bestimmten Werten von m folgt, daß in der Potenzreihendarstellung der Kraft als Funk­ tion des Abstands Glieder mit Potenzen n = m+1 mit Beiträgen vorhanden sind. Die größte auftretende Zahl m_max sagt aus, daß die höchste nachgewiesene Potenz n_max = m_max+1 ist. Wei­ tere Details kann der Fachmann aus der umfassenden Auswer­ tung der Signalfunktion

S_n = [u sin (ωt + ϕ) + u_h sin (ω_ht)]ⁿ

gewinnen, worin u die Amplitude der akustischen Schwingung bzw. Welle, u_h die Amplitude des (hier) akustischen Hilfssig­ nals und ω bzw. ω_h die zugehörigen Winkelfrequenzen sind sowie ϕ die Phase ist.

Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der nach Fig. 4 durch die Erzeugung der Referenzfrequenz für den Lock-in-Verstärker. Hier wird das Signal dieser Frequenz Δf durch Frequenzteilung des Ausgangssignals des Generators 5, der den Wandler 3 speist, mit Hilfe eines einstellbaren Frequenzteilers 13 gewonnen.

Schließlich wird mit der Fig. 6 klargestellt, wie man vorge­ hen kann, um die Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer akustischen Welle aus Phasenmessungen an mindestens zwei Punkten längs der Ausbreitungsrichtung x durchzuführen.

Ordnet man dem Anregungsort der Welle (z. B. der Mittellinie des Wandlers) den Phasenwert ϕ=0 und die Koordinate x=0 zu, so ist die Phase bei beliebigem x durch

gegeben. Das Minuszeichen steht, weil die Phase gegenüber dem Anregungsort nacheilt.

Andererseits ist die besagte Geschwindigkeit bei bekannter Frequenz f durch

v = f · λ

gegeben. Aus beiden Beziehungen folgt unmittelbar

Da Phasenmeßgeräte immer einen Phasenwert zwischen π und -π anzeigen, die Vielfachen von 2π aber unterdrückt werden, er­ setzt man den Absolutwert x durch die Wegdifferenz x₂-x₁ und den (unbekannten) Absolutwert ϕ durch die zu x₂-x₁ ge­ hörende Phasendifferenz ϕ₂-ϕ₁ und erhält schließlich

Schließlich soll zum Ausdruck gebracht werden, daß die Er­ zeugung der Oberflächenschwingungen bzw. Oberflächenwellen auf verschiedenste Weise erfolgen kann, beispielsweise da­ durch daß die Einrichtung zur Erzeugung der Oberflächen­ schwingungs- bzw. Oberflächenwellenfelder an der Oberfläche des Festkörpers entweder durch einen interdigitale piezoelek­ trischen Wandler oder durch eine externe Einrichtung, bspw. einen Laser, zur Anregung von thermoelastischen Wellen oder Schwingungen oder durch einen externen Wandler mit oder ohne Kupplungsmedium, z . B. einer Kupplungsflüssigkeit, gebildet ist.

Claims (20)

1. Verfahren zur Durchführung von Messungen an einem Fest­ körper (2), in welchem aufgrund von Oberflächenschwingun­ gen und/oder -wellen ein akustisches Schwingungs- bzw. Wellenfeld vorliegt, unter Anwendung einer in unmittel­ barer Nachbarschaft zur untersuchten Oberfläche positio­ nierten Tastspitze (1a), welche in Kraftwechselwirkung mit der Oberfläche steht, wobei das zu untersuchende Schwingungs- bzw. Wellenfeld eine erwünschte Betriebs­ frequenz (f) im Festkörper (2) hat und mit einem Hilfs­ signal die Kraftwechselwirkung derart beeinflußt wird, daß die resultierende niederfrequente Auslenkung der Tastspitze über den Frequenzunterschied (Δf) zwischen der Betriebsfrequenz (f) des zu untersuchenden Schwin­ gungs- bzw. Wellenfelds und der Frequenz (f_h=f±Δf) des Hilfssignals detektiert werden kann, wobei dieser Frequenzunterschied (Δf) so groß wie und vorzugsweise kleiner als die Resonanzfrequenz der aus Tastspitze und Tastspitzenaufhängung bestehenden Tastspitzenanordnung ist, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Frequenz­ mischers (7) der Frequenzunterschied (Δf) zwischen der Betriebsfrequenz (f) der Oberflächenschwingungen bzw. -wellen und der Frequenz (f_h=f±Δf) des Hilfssignals erzeugt und als Referenzsignal am Referenzeingang eines phasenempfindlichen Verstärkers (8) angelegt wird, an dessen anderen Eingang das niederfrequente Auslenkungs­ signal von der Tastspitze (1a) angelegt wird, wobei die Messungen anhand des Ausgangssignals des phasenempfindli­ chen Verstärkers (8) durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen der Gewinnung von Amplituden- und/oder Phaseninformation der Oberflächenschwingungen bzw. -wellen dienen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Durchführung der Messungen an verschiedenen Orten der Oberfläche des Festkörpers (2) eine relative Bewegung zwischen diesem und der Tastspitze (1a) bewerkstelligt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anregungsspannung mit der erwünschten Betriebsfrequenz (f) von einem Generator (5) erzeugt und einerseits an einen am Festkörper (2) angebrachten elektroakustischen Wandler (3) sowie ande­ rerseits an dem einen Eingang des Frequenzmischers (7) angelegt wird, daß ein Hilfssignal von einem Hilfs­ signalgenerator (6) mit einer Frequenz (f_h=f±Δf) einer­ seits an einem am Festkörper vorgesehenen elektroakusti­ schen Wandler (4), andererseits an einen weiteren Eingang des Frequenzmischers (7) angelegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anregungsspannung mit der erwünschten Betriebsfrequenz (f) von einem Generator (5) erzeugt und einerseits an einen am Festkörper (2) angebrachten elektroakustischen Wandler (3), anderer­ seits an den einen Eingang des Frequenzmischers (7) angelegt wird, und daß die Spannung eines Hilfssignal­ generators (6) mit einer Frequenz (f_h=f±Δf) einerseits an der Tastspitze bzw. der Tastspitzenaufhängung und andererseits an einen weiteren Eingang des Mischers (7) angelegt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anregungsspannung mit der erwünschten Frequenz (f), von einem Generator (5) erzeugt, einerseits an einen am Festkörper angebrachten elektroakustischen Wandler (3), andererseits an den einen Eingang des Frequenzmischers (7) angelegt wird, daß an die Festkörperoberfläche vorzugsweise unmittelbar unter der Tastspitze und neben der vom Wandler (4) erzeugten akustischen Oberflächenwelle erste und zweite Lichtwellen mit durch eine Modulationsfrequenz (f_m) erzeugten, um (2f_m bzw. f_m) unterschiedlichen Frequenzen (f₀+f_m, f₀-f_m) bzw. (f₀, f₀+f_m) oder (f₀, f₀-f_m) zur Wechselwirkung mit dem Schwingungs- bzw. Wellenfeld gebracht werden, und daß die Modulationsfrequenz (f_m) der Lichtwellen ggf. nach einer Frequenzverdopplung an dem einen Eingang des Frequenzmischers (7) angelegt wird, an dessen zweiten Eingang die Betriebsfrequenz (f) anliegt.

7. Verfahren zur Durchführung von kraftspektroskopischen Messungen an einem Festkörper, in welchem aufgrund von Oberflächenschwingungen und/oder -wellen ein Schwin­ gungs- bzw. Wellenfeld vorliegt, unter Anwendung einer in unmittelbarer Nachbarschaft zur untersuchten Oberfläche positionierten Tastspitze (1a), welche in Kraftwechselwirkung mit der Oberfläche steht, wobei das zu untersuchende Schwingungs- bzw. Wellenfeld eine erwünschte Betriebsfrequenz (f) im Festkörper (2) erzeugt und mit einem Hilfssignal die Kraftwechsel­ wirkung derart beeinflußt wird, daß die resultierende niederfrequente Auslenkung der Tastspitze über den Frequenzunterschied (Δf) zwischen der Betriebsfrequenz (f) des zu untersuchenden Schwingungs- bzw. Wellenfelds und der Frequenz (f_h=f±Δf) des Hilfssignals detektiert werden kann, wobei dieser Frequenzunterschied (Δf) so groß wie und vorzugsweise kleiner als die Resonanzfre­ quenz der aus Tastspitze und Tastspitzenaufhängung bestehenden Tastspitzenanordnung ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Anregungsspannung mit einer Betriebs­ frequenz (f) von einem Hochfrequenzgenerator (5a) von einem Niederfrequenzgenerator (5b) mit der Frequenz (Δf) moduliert und an einen am Festkörper (2) angebrachten elektroakustischen Wandler (3) angelegt wird, daß der Ausgang des Niederfrequenzgenerators (5b) an den Refe­ renzeingang des phasenempfindlichen Verstärkers (8) angelegt wird, daß ein Hilfssignal in Form eines akusti­ schen Wellenfelds mit einer durchstimmbaren Hilfsfre­ quenz (f_h) von einem durchstimmbaren Generator (6) er­ zeugt und mit Hilfe eines Wandlers (4) an der Oberfläche des Festkörpers (2) zur Wirkung gebracht wird, wobei die Durchstimmung der Frequenz (f_h) wenigstens den Teilbe­ reich (f/m bis f) oder den Teilbereich (f bis mf) über­ deckt, wobei m eine ganze Zahl ist, die wenigstens so groß ist wie die um 1 verminderte höchste Potenz n_max, die bei der Darstellung der Kraft als Potenzfunktion bei der kraftspektroskopischen Messung erfaßt werden soll und vorzugsweise mindestens 12 beträgt, und daß die Ausgangsspannung der die Auslenkungen der Tastspitze ermittelnden Einrichtung an den zweiten Eingang des phasenempfindlichen Verstärkers (8) angelegt wird, wobei beim Durchstimmen der Hilfsfrequenz bei allen Momentan­ frequenzen (f_h), bei denen die Meßspitze mit der Fre­ quenz (Δf) schwingt, der Amplitudenausgang des phasen­ empfindlichen Verstärkers (8) einen entsprechenden Signalwert anzeigt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der durchstimmbare Generator (6) mit dem die Betriebsfre­ quenz (f±Δf) erzeugende Hochfrequenzgenerator (5a) synchronisiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der phasenempfindliche Verstärker durch ein auf die Frequenz (Δf) eingestelltes frequenzselektives Voltmeter ersetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Referenzsignal für den phasenempfindlichen Verstärker bzw. des frequenzselektiven Voltmeters durch Frequenzteilung des Ausgangssignals des die Betriebs­ frequenz (f) erzeugenden Generators (5) erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt eines akustischen Hilfsfel­ des andere Hilfssignale verwendet werden.

12. Vorrichtung zur Durchführung von Messungen an einem Festkörper (2), in welchem aufgrund von Oberflächen­ schwingungen und/oder -wellen ein Schwingungs- bzw. Wellenfeld vorliegt, mit einer in unmittelbarer Nachbar­ schaft zur untersuchten Oberfläche positionierbaren Tastspitze (1a), welche in Kraftwechselwirkung mit der Oberfläche steht, ein Betriebsgenerator (5) mit einer erwünschten Betriebsfrequenz (f) zur Erzeugung des zu untersuchenden Schwingungs- bzw. Wellenfelds im Fest­ körper (2) und mit einer Hilfssignalquelle (6, 11) mit einer Frequenz (f_h=f±Δf) zur Beeinflussung der Kraftwech­ selwirkung und mit einer Einrichtung zur Detektierung der sich ergebenden niederfrequenten Auslenkung der Tast­ spitze über den Frequenzunterschied (Δf) zwischen der Betriebsfrequenz (f) des Schwingungs- bzw. Wellenfelds und der Frequenz (f_h=f±Δf) des Hilfssignals, wobei die­ ser Frequenzunterschied (Δf) höchstens so groß wie und vorzugsweise kleiner als die Resonanzfrequenz der aus Tastspitze (1a) und Tastspitzenaufhängung bestehenden Tastspitzenanordnung ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzmischer (7) vorgesehen ist, der den Frequenz­ unterschied (Δf) zwischen der Betriebsfrequenz der Ober­ flächenschwingungen bzw. -wellen und der Frequenz (f_h=f±Δf) des Hilfssignals erzeugt, wobei der Referenz­ signalausgang des Frequenzmischers (7) am Referenzein­ gang eines phasenempfindlichen Verstärkers (8) angelegt wird, daß eine Einrichtung zur Ermittlung der Auslen­ kungen der Tastspitze vorgesehen ist, deren Ausgangs­ signal an den anderen Eingang des phasenempfindlichen Verstärkers (8) anlegbar ist und daß die Messungen anhand des Ausgangssignals des phasenempfindlichen Ver­ stärkers erfolgen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Festkörper und der Tastspitze zu bewerk­ stelligen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des Betriebsgenerators (5) einerseits mit einem am Festkörper (2) angebrachten elektroakustischen Wandler (3), andererseits mit dem einen Eingang des Frequenzmischers (7) verbunden ist, daß der Signalausgang des Hilfssignalgenerators (6) mit einem weiteren am Festkörper vorgesehenen elektroakusti­ schen Wandler (4) sowie mit einem weiteren Eingang des Frequenzmischers (7) verbunden ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Betriebsgenerators (5) einerseits mit einem am Fest­ körper (2) angebrachten elektroakustischen Wandler (3), andererseits mit dem einen Eingang des Frequenzmischers (7) verbunden ist, und daß der Ausgang des Hilfssignal­ generators (6) einerseits mit der Tastspitze (1a) bzw. der Tastspitzenaufhängung und andererseits mit einem zweiten Eingang des Mischers (7) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfssignalquelle ein optisches System umfaßt, das mittels eines Modulators (11) einen von einer Lichtquelle (Laser 10) kommenden Laserstrahl mit einer Frequenz (f₀) in zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenzen ((f₀+f_m, f₀-f_m) bzw. (f₀, f₀+f_m) oder (f₀, f₀-f_m)) in zwei sich unterhalb der Tastspitze (1a) mit dem akustischen Schwingungs- bzw. Wellenfeld in Wechselwirkung treten, daß der Modulator ggf. über einen Frequenzverdoppler an den einen Eingang des Frequenzmischers (7) anlegbar ist, an dessen anderem Eingang die Betriebsfrequenz anliegt.

17. Vorrichtung zur Durchführung von kraftspektroskopischen Messungen an einem Festkörper, in welchem aufgrund von Oberflächenschwingungen und/oder -wellen ein Schwin­ gungs- bzw. Wellenfeld vorliegt, mit einer in unmittel­ barer Nachbarschaft zur untersuchten Oberfläche positio­ nierbaren Tastspitze (1a), welche in Kraftwechselwirkung mit der Oberfläche steht, ein Betriebsgenerator (5) mit einer erwünschten Betriebsfrequenz (f) zur Erzeugung des zu untersuchenden Schwingungs- bzw. Wellenfelds im Festkörper (2) und mit einer Hilfssignalquelle (6, 11) mit einer Frequenz (f_h = mf±Δf bzw. f_h=f/m±Δf, m=1,2,3, . . . ) zur Beeinflussung der Kraftwechselwirkung und mit einer Einrichtung zur Detektierung der sich ergebenden niederfrequenten Auslenkung der Tastspitze über den Frequenzunterschied (Δf) zwischen der Betriebsfrequenz (f) des Schwingungs- bzw. Wellenfelds und der Frequenz (f_h = mf±Δf bzw. f_h=f/m±Δf, m=1,2,3, . . . ) des Hilfssignals, wobei dieser Frequenzunterschied (Δf) höchstens so groß wie und vorzugsweise kleiner als die Resonanzfrequenz der aus Tastspitze (1a) und Tastspitzenaufhängung bestehenden Tastspitzenanordnung ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsgenerator ein Hochfrequenzgenerator (5a) mit der Betriebsfrequenz (f) ist, daß ein Niederfrequenz­ generator (5b) das Ausgangssignal des Hochfrequenzgenera­ tors (5a) mit einer Frequenz (Δf) moduliert, wobei das modulierte Ausgangssignal den am Festkörper (2) vorge­ sehenen elektroakustischen Wandler (3) beaufschlagt, und der Ausgang des Hochfrequenzgenerators (5b) gleichzeitig mit dem Referenzeingang eines phasenempfindlichen Ver­ stärkers (8) verbunden ist, daß ein durchstimmbarer Hilfsgenerator (6) vorgesehen ist, der mit einem Hilfs­ wandler (4) am Festkörper (2) verbunden ist und ein akustisches Hilfsfeld der Frequenz (f_h) erzeugt, wobei (f_h) wenigstens über den Teilbereich (f/m bis f) oder den Teilbereich (f bis mf) durchstimmbar ist und m eine ganze Zahl ist, die wenigstens so groß ist wie die um 1 verminderte höchste Potenz n_max, die bei der kraftspek­ troskopischen Messung zu erfassen ist, wobei m vorzugs­ weise mindestens 12 beträgt, und daß eine Einrichtung zur Ermittlung der Auslenkungen der Tastspitze vorgese­ hen und mit dem anderen Eingang des phasenempfindlichen Verstärkers verbunden ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der anstelle eines phasenempfindlichen Verstärkers ein auf die Frequenz (Δf) eingestelltes frequenzselektives Voltmeter vorgese­ hen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Niederfrequenzgenerators (5b) das Ausgangssignal des Betriebsgenerators (5) an einen Frequenzteiler (13) angelegt ist, dessen Ausgang mit dem Referenzeingang des phasenempfindlichen Verstärkers (8) verbunden ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswandler (4) mit einer ande­ ren Einrichtung zur Erzeugung des Hilfsfeldes ersetzt ist.