Multifrequenzmodi für stimmgabelbasierte Rasterkraftmikroskope: Ortsauflösung und gezielte Beeinflussung der Abbildungseigenschaften
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es gibt mittlerweile eine Vielzahl von dynamischen Betriebsmodi für die Rasterkraftmikroskopie, bei denen der Federbalken auf unterschiedliche Art und Weise zu Schwingungen angeregt wird. Besonders interessant sind sogenannte Multifrequenzmethoden, bei denen gleichzeitig zwei oder mehrere Eigenschwingungen des Federbalkens angeregt werden. Im Gegensatz zur konventionellen dynamischen Rasterkraftmikroskopie erhöht sich durch diese Methode die Informationsdichte und es besteht die Möglichkeit, den verschiedenen Eigenschwingungen unterschiedliche Aufgaben zuzuordnen. In der Regel wird die Grundschwingung des Federbalkens zur Abbildung der Oberflächentopographie verwendet. Das Auslesen der zweiten Eigenschwingung liefert einen verbesserten Materialkontrast, da die Schwingungsparameter unabhängig von der ersten Eigenschwingung variiert und somit optimiert werden können. Dieses Konzept konnte bisher erfolgreich auf verschiedene Probensysteme und Umgebungsbedingungen (Luft, Flüssigkeiten und Vakuum) übertragen werden und damit z.B. eine Verbesserung der Auflösung und des Signal-Rausch-Verhältnisses erreicht werden. In diesem Projekt wurde systematisch untersucht, welche Vorteile sich durch die Verwendung von Multifrequenztechniken für die Bond-Imaging-Methode ergeben, mit der die chemische Struktur einzelner adsorbierter Moleküle sichtbar gemacht werden kann. Solche Messungen werden in der Regel im Ultrahochvakuum bei tiefen Temperaturen durchgeführt. Außerdem werden Stimmgabelsensoren (qPlus Sensoren) mit CO-funktionalisierten Spitzen verwendet. Wir konnten einzelne adsorbierte Moleküle mit submolarer Auflösung abbilden, indem wir torsionale Eigenschwingungen und höhere Biegeschwingungen anregten. Der Betrieb bei der torsionalen Resonanzfrequenz eignet sich ideal für die Lateralkraftmikroskopie. Ein besonderer Vorteil ist, dass hierfür nicht der Sensor getauscht werden muss, sondern nur bei einer anderen Resonanzfrequenz angeregt wird. Bei dem Betrieb der zweiten Biegeschwingung ist für konventionelle Stimmgabelsensoren von einem reduzierten Signal-Rausch-Verhältnis auszugehen. Dieses konnte durch die Verwendung des Amplitudenmodulationsmodus (AM-Modus) signifikant erhöht werden. Eventuelle Messartefakte bei Verwendung der zweiten Biegeschwingung sind vermutlich auf eine diagonale Bewegung der Spitze zurückzuführen. Diese Resultate sollten bei der Konzeption zukünftiger AFM-Sensoren berücksichtigt werden, um Messartefakte zu minimieren und die Signalqualität von höheren Eigenschwingungen zu verbessern. Insgesamt beurteilen wir den Einsatz von Multifrequenztechniken in der Zukunft als sehr vielversprechend, da sich bereits mit konventionellen (nicht modifizierten) Stimmgabelsensoren beeindruckende Ergebnisse erzielen lassen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Chemical bond imaging using higher eigenmodes of tuning fork sensors in atomic force microscopy." Applied Physics Letters 110, 183102, 2017
D. Ebeling, Q. G. Zhong, S. Ahles, L. Chi, H. A. Wegner and A. Schirmeisen
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"Bond-Level Imaging of the 3D Conformation of Adsorbed Organic Molecules Using Atomic Force Microscopy with Simultaneous Tunneling Feedback." Physical Review Letters 122, 196101, 2019
D. Martin-Jimenez, S. Ahles, D. Mollenhauer, H. A. Wegner, A. Schirmeisen and D. Ebeling
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"Bond-level imaging of organic molecules using Q-controlled amplitude modulation atomic force microscopy." Applied Physics Letters 117, 131601, 2020
D. Martin-Jimenez, A. Ihle, S. Ahles, H. A. Wegner, A. Schirmeisen and D. Ebeling
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"Chemical bond imaging using torsional and flexural higher eigenmodes of qPlus sensors." Nanoscale 14, 5329, 2022
D. Martin-Jimenez, M. G. Ruppert, A. Ihle, S. Ahles, H. A. Wegner, A. Schirmeisen and D. Ebeling
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"Experimental analysis of tip vibrations at higher eigenmodes of QPlus sensors for atomic force microscopy." Nanotechnology 33, 185503, 2022
M. G. Ruppert, D. Martin-Jimenez, Y. K. Yong, A. Ihle, A. Schirmeisen, A. J. Fleming and D. Ebeling
