Mit Rastersondenmikroskopen können individuelle Atome wie einzelne Hügel sichtbar gemacht werden. In der obigen Aufnahme sind sogar bereits innere Strukturen der Atome erkennbar.

Rastersondenmikroskop (Scanning Probe Microscope, SPM)

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Rastersondenmikroskop (SPM) ist ein Überbegriff für Mikroskope, bei denen das Bild einer Oberfläche durch die Wechselwirkung einer so genannten Sonde mit der Probe entsteht. Die Sonde, meist in Form einer scharfen Spitze, tastet die Oberfläche der Probe zeilenweise ab (Rasterprozess). Die daraus erhaltenen Messwerte werden in einem digitalen Bild zusammengesetzt und ergeben ein Profil der Oberfläche der Probe.
Die heute meistverbreiteten Rastersondenmikroskope sind das Rastertunnelmikroskop (Scanning Tunneling Microscope, STM) und das Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM).
Das erste Rastersondenmikroskop, welches von dem Schweizer Physiker Heinrich Rohrer und dem Deutschen Physiker Gerd Binnig 1981 erfunden wurde, war ein Rastertunnelmikroskop. 1986 erhielten Sie für diese Arbeit den Nobelpreis für Physik.

Rastertunnelmikroskop (Scanning Tunneling Microscope, STM)

Wird zwischen zwei leitenden oder halbleitenden Materialien eine Spannung angelegt, fliesst wegen des isolierenden Mediums (Luft oder Vakuum) kein Strom. Bringt man diese zwei Materialien jedoch sehr nahe zusammen, fliesst ein Tunnelstrom noch bevor sie sich gegenseitig berühren. Dieser Tunnelstrom tritt bei Abständen von Millionstel Millimetern auf und ist stark vom Abstand der beiden Materialien abhängig.
Bei der Rastertunnelmikroskopie macht man sich diesen Effekt zu Nutze, in dem eine leitende Spitze, die zu messende, leitende Oberfläche der Probe Punkt für Punkt abrastert. Der gemessene Tunnelstrom gibt dann Aufschluss auf den Abstand der Spitze zur Oberfläche der Probe, was durch entsprechende Software in einem digitalen Gesamtbild zusammengesetzt wird.
Da mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie (STM) nur leitende oder halbleitende Proben untersucht werden können, wurde 1986 das Rasterkraftmikroskop (AFM) entwickelt, welches auch zur Untersuchung von nichtleitenden Materialien dient.

Die Erfinder, Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, mit dem ersten STM, wofür sie 1986 den Nobelpreis erhielten.

Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM)

Wie auch das Rastertunnelmikroskop (STM) besitzt das Rasterkraftmikroskop (AFM) eine Blattfeder mit scharfer Spitze, die über die Oberfläche der Probe gerastert wird. Zwischen der Spitze (meist aus Silizium oder Siliziumnitrid) und der Probe wirken anziehende und abstossende Kräfte, wodurch die Blattfeder abgelenkt wird. Diese Verbiegung wird mit einem auf der Blattfeder reflektierendem Laserstrahl gemessen, der auf einen Photosensor trifft. Je nach Ablenkung trifft der Laserstrahl auf eine andere Position des Photosensors. Diese Messwerte werden wiederum durch eine Software Punkt für Punkt zu einem digitalen Bild zusammengesetzt.
Eine der grössten Stärke des AFMs ist, dass man sensible biologische Proben in ihrer physiologischen Umgebung, d.h. in Flüssigkeiten bei bestimmten pH-Werten und Ionenkonzentrationen untersuchen kann.
Sowohl mit dem Rasterkraftmikroskop, als auch mit dem Rastertunnelmikroskop lassen sich im Idealfall einzelne Atome abbilden. Damit besitzen sie die höchste Auflösung aller mikroskopischen Techniken.

Unter extremen Bedingungen sind viele Prozesse erst richtig beobachtbar. Das riesige Instrument sorgt für tiefe Temperaturen und Ultrahochvakuum. Das beleuchtete Teil im innern ist das Rasterkraftmikroskop.

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