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Prof. Ivo W. Rangelow

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INHALTE

Raster-Sonden-Mikroskopie

Die Raster-Sonden-Mikroskopie als einer der Schwerpunkte der Nanotechnologie liefert die Bildmethoden und Werkzeuge zur Erfassung der Basisphänomene und zur Produktcharakterisierung. Hochauflösende Sonden in Form von Cantilever-Arrays bieten eine neue Möglichkeit, schnelle topographische, physikalische und chemische Analysen auf der Skala von wenigen Nanometern zuverlässig durchführen zu können. Die Kalibrierung zeigt die hohe Leistungsfähigkeit des selbst-aktuierten piezoresistiven Cantileversystems mit einer Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich.
Die vergleichsweise zeitaufwendige Entwicklung der Cantilever-Array-Technologie hat zum Ziel, kommerzielle Systeme zur Verfügung zu stellen, die höchste Präzision und Stabilität mit höchster messtechnischer Flexibilität kombinieren.

Die Forschergruppe beschäftigt sich mit der Realisierung von piezoresistiven Cantilever-Arrays für die Raster-Kraft-Mikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM), einem Zweig der Raster-Sonden-Mikroskopie (RSM oder SPM, Scanning Probe Microscopy), und für verwandete Anwendungen (siehe Sensorik). Sensoren für die Raster-Sonden-Mikroskopie sind aus physikalischer Sicht faszinierende Mikrosysteme, da sie durch geeignete Kombination von Physik und Technologie ein neues nanoskopisches Materialverständnis ermöglichen. Die Raster-Sonden-Mikroskopie führt nicht nur zur Eröffnung neuer Horizonte für die Grundlagenforschung, sondern bietet auch die Chance, durch die Entwicklung neuartiger Sensoren und Sensorarrays bisher ungenutzte Wirkmechanismen zu nutzen. Physikalische, biologische und chemische Größen und Wechselwirkungen können auf der Basis von Mikro-Biegebalken (sog. Cantilever) durch die Umwandlung in eine mechanische Reaktion (Verbiegung des Cantilevers) sehr effektiv erfasst und dann wiederum in elektronisch verwertbare Signale umgewandelt werden.

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SPM-Sensoren

Wir beschäftigen uns mit der Realisierung von selbstaktuierten, piezoresistiven Sensoren für die Rasterkraftmikroskopie.
Wir glauben, dass diese Technologie in der Zukunft eine Schlüsselrolle in der schnellen Rasterkraftmikroskopie einnehmen wird und entscheidend bei der Analyse und Synthese von Nanostrukturen in alle Branchen der Nanotechnologie und strategisch für die "Echtzeit" - Biodiagnostik sein wird.
Unsere piezoresistiven Sensoren basieren auf modernen Mikrofabrikationsmethoden und etablierten CMOS-Prozessen. Wir haben das piezoresistive Detektions-Prinzip weit optimiert und verwenden eine wheatstoneschen Messbrücke bestehend aus vier Piezoresistoren, die eine vertikale Auflösung ("z-Auflösung") von 0,1 nm ergeben.
Die Eleganz dieses Konzepts beruht auf der Anwendung dieses Detektions-Prinzips und den unterschiedlich funktionalisierten Spitzen oder Cantileveroberflächen.
Dies ermöglicht die Erkennung subtiler Wechselwirkungen (mechanische, elektrische, thermische, biologische und chemische) im kleinsten Raum, dem sog. "Nanoraum". Die spezifisch funktionalisierte SPM-Spitze stellt einen "Nano-Raum" mit außergewöhnlichen Eigenschaften dar.
Das Messsystem ist viel kompakter als das herkömmliche optischbasierte Detektionsverfahren in der AFM-Sensorik.
Im Fall der kontaktlosen Rastermikroskopie wurde ein thermisch angetriebener Bimorph (Bimetall)- Aktuator in den Cantilever integriert, wodurch parallele Messungen, wie auch bei hohen Eigenmoden, ermöglicht werden. Das Rasterkraftmikroskop kann in "allen bekannten" - AFM-Modi arbeiten.

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Schnelles AFM

Ein gravierender Nachteil der Raster-Sonden-Mikroskopie ist die geringe Geschwindigkeit, mit der einzelne AFM-Aufnahmen erfasst werden können. Je nach Vergrößerung und Art der Probe können Aufnahmen mit einer Auflösung im Nanometerbereich zwischen 5 min und 30 min dauern. Der begrenzte Scannbereich konventioneller AFM`s limitiert zudem die maximale Probengröße. Dadurch ist der Einsatz von AFM`s auf statische Proben beschränkt, deren zu untersuchender physikalischer, chemischer oder biomolekularer Prozesse sich während der Messung nicht verändert.
Für die Rasterkraftmikroskopie sind eine schnelle 3D-Bewegung des Cantilevers mit der Rasterspitze, eine hochpräzise Regelung der Positioniereinheit und die schnelle Datenverarbeitung für die Messgeschwindigkeit der Abbildung entscheidend.

Der Cantilever soll so "klein" und "weich" wie möglich sein. Das bedeutet, dass die Resonanzfrequenz im Bereich von einigen MHz   und die Steifigkeit im µN/m Bereich liegen.

Messgeschwindigkeiten können durch die Trägheit der AFM-Positioniereinheit signifikant beschränkt werden. In der Forschergruppe von Prof. Dr.-Ing. habil. Ivo W. Rangelow wird an innovativen und dynamischen Positioniersystemen daran gearbeitet, dieses Problem zu überwinden. Diese Aktivitäten werden im Rahmen des SFB 622 verfolgt. Eine schnelle und dynamische Nano-Positioniervorrichtung für kleine Bewegungsbereiche (DNPV) sollen ermöglichen, von der Gruppe entwickelten Nano- Werkzeugen oder Sonden eine positionsgenaue Analyse in Echtzeit mit Nanometerauflösung durchzuführen. Diese Entwicklung basiert auf neuen mechatronischen, regelungstechnischen und elektronischen (FPGA) Techniken.

Poster "Dynamische Nanopositionierung"
AFM-Video 128x128, 40 lines/s

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