Laserinterferometrisches Rasterkraftmikroskop

Vorbringer-Dorozhovets, Nataliya GND

eit der Entwicklung im Jahr 1986 ermöglicht das Rasterkraftmikroskop (AFM) den Blick in die Nanowelt. Das Funktionsprinzip des AFM basiert auf Detektion der interatomaren Wechselwirkung zwischen abzubildender Oberfläche und einer pyramidenförmigen Spitze mit einem Radius von wenigen Nanometern. Die Spitze ist am freien Ende eines Cantilevers angebracht. Die durch die Wechselwirkungskräfte verursachte Auslenkung des Cantilevers wird mit einem Lagedetektor erfasst. Im AFM wird die Antastspitze über die Messobjektoberfläche geführt und die Oberfläche wird währenddessen abgetastet, ähnlich wie bei einem Schallplattenspieler die Nadel des Tonabnehmers die Platte abtastet. Der Lagedetektor liefert dabei ein Signal, das mit der Topographie der Oberfläche zusammenhängt. Die zu jedem einzelnen Messpunkt erfassten Messwerte werden zu einem “Bild” zusammengesetzt. Von Beginn an dienten AFM für die bildliche Darstellung von Nanostrukturen. Der heutige technologische Fortschritt erfordert metrologisch exakte Objektvermessung mit Nanometergenauigkeit über große Messbereiche. Solche Messungen sind nur möglich, wenn die Mess- und Positioniersysteme gute messtechnische Eigenschaften aufweisen und auf nationale und internationale Normale rückführbar sind. Dies war der Ausgangspunkt zur Entwicklung eines laserinterferometrischen Rasterkraftmikroskops (LiAFM), welches als Antastsystem für die Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPMM) NMM-1 dienen soll. Das Hauptmerkmal des LiAFM ist der kombinierte Lagedetektor für die Messung der Torsion, Biegung und Position des Cantilevers mit einem einzigen Messstrahl. Dieser kombinierte Lagedetektor schließt einen Lichtzeiger und ein Interferometer ein und wird im LiAFM als interferometrisches Sondenmesssystem bezeichnet. Das Laserinterferometer ermöglicht die Rückführbarkeit der Positionsmessung auf das Längennormal. Der Lichtzeiger zeichnet sich von anderen Lagedetektoren durch die gleichzeitige und getrennte Erfassung von Biegung und Torsion des Cantilevers aus. Die NMM-1 führt bei einer Messung die Scanbewegung durch, somit ist für das LiAFM ein x-y-Scanner nicht erforderlich. Um die Messdynamik und den Messbereich des LiAFM zu erhöhen ist ein piezoelektrischer z-Antrieb integriert. Während der Messungen wird eine interferometrische Positionsmessung sowie eine hochgenaue Regelung der Durchbiegung des Cantilevers (mittels z-Antriebes und Biegungssignals des Lichtzeigers) durchgeführt und die Kombination der Bewegungen von NMM-1-Tisch und z-Antrieb des LiAFM verwendet. Das LiAFM wurde erfolgreich aufgebaut, in die NMM-1 integriert und für zahlreiche Messaufgaben eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wird dieses neuartiges LiAFM, seine besonderen Merkmale, die Funktionsweise, der Aufbau, die messtechnischen Eigenschaften sowie die wichtigsten Messungen und deren Ergebnisse ausführlich dargestellt.

Since its development in 1986, the atomic force microscope (AFM) has provided an insight into the nanoworld. The functional principle of the AFM is based on the detection of the interatomic interaction between the surface to be imaged and a pyramid-shaped tip with a radius of a few nanometres. The tip is attached to the free end of the cantilever. The deflection of the cantilever caused by the interaction forces is detected by a position detector. In the AFM, the tip is guided over the measuring surface and the surface is scanned during this process, similar to the needle of the pickup in a record player. The position detector provides a signal related to the topography of the surface. The measured values recorded at each measuring point are combined to an “image”. AFM have been used from the beginning for the visual representation of nanostructures. Today's technological progress requires metrologically exact object measurement with nanometre precision over large measuring ranges. Such measurements are only possible if the measuring and positioning systems have good metrological properties and are traceable to national and international length standards. This was the initial point for the development of a laserinterferometric atomic force microscope (LiAFM), to be used as a probing system for the nanopositioning and nanomeasuring machine (NPMM) NMM-1. The main feature of the LiAFM is the combined position detector for measurement of the torsion, bending and position of the cantilever with a single laser beam. This combined position detector includes an optical lever and an interferometer and is referred in LiAFM as an interferometric probe measuring system. The laser interferometer enables the traceability of the position measurement to the length standard. The optical lever differs from other position detectors by simultaneous and separate detection of bending and torsion of the cantilever. The NMM-1 performs the scanning motion during a measurement, so an x-y-scanner is not required for the LiAFM. To increase the measuring dynamics and the measuring range of the LiAFM a piezoelectric z-actuator is integrated. During the operation, an interferometric position measurement as well as a highly accurate control of the cantilever deflection (by means of z-actuator and bending signal of the optical lever) are carried out and the combination of the movements of NMM-1 stage and the LiAFM zactuator is used. The LiAFM was successfully assembled, integrated into the NMM-1 and used for numerous measurement tasks. In this thesis, this novel LiAFM, its special features, mode of operation, setup, metrological properties as well as the most important measurements and their results are described in detail.

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Vorbringer-Dorozhovets, N., 2019. Laserinterferometrisches Rasterkraftmikroskop. Ilmenau.
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