Rasterkraftmikroskopie Bedienungsanleitung

Rasterkraftmikroskopie Bedienungsanleitung
Physikalisches
Praktikum für
Fortgeschrittene
Institut für
Angewandte Physik
JLU Gießen
AG Schirmeisen
RASTERKRAFTMIKROSKOPIE
BEDIENUNGSANLEITUNG
INHALTSVERZEICHNIS
1.
Geräte und Funktionen ............................................................................................. 2
1.1.
Messkopf und Röhrenpiezo ........................................................................................................... 3
1.2.
Laserinterferometer....................................................................................................................... 4
1.3.
Digitaler Regelkreis, DSP-Board mit Steuersoftware ..................................................................... 7
1.4.
Mischer und Verstärker ................................................................................................................. 8
1.5.
Lock-In-Verstärker.......................................................................................................................... 8
2.
Bedienung des RKM ................................................................................................ 10
2.1.
Q-Punkt des Laserinterferometers .............................................................................................. 10
2.2.
Annäherung von Probe und Hebelarm ........................................................................................ 11
2.3.
Messung mit GXSM ...................................................................................................................... 12
2.3.1.
Kalibrierung von GXSM................................................................................................... 14
2.3.2.
Kraft-Abstand-Kurve/ Amplitude-Abstand-Kurve .......................................................... 14
3.
Auswertung mit Gwyddion ..................................................................................... 15
3.1.
Erste Schritte in Gwyddion .......................................................................................................... 15
3.2.
Vermessung der Proben .............................................................................................................. 16
3.3.
Rekonstruktion der Spitze............................................................................................................ 17
3.4.
Fehlerbestimmung und Oberflächenrekonstruktion ................................................................... 18
Geräte und Funktionen 2
Das zur Verfügung stehende Rasterkraftmikroskop wurde zur Messung von Proben unter Umgebungsbedingungen an Luft konzipiert. Die Messung an Luft durchzuführen, erleichtert zwar die Bedienung des RKM, schränkt jedoch auch die Möglichkeiten stark ein. Es kann z.B. keine atomare Auflösung erzielt werden.
Mit diesem RKM sind auch nicht alle Betriebsmodi realisierbar. Es kann nur entweder im statischen
Constant Force Mode (CFM) oder im dynamischen Tapping Mode (TM) betrieben. Je nach Modus
verändern sich der Aufbau und die Bedienung geringfügig.
1. GERÄTE UND FUNKTIONEN
Abbildung 1:
Schematischer Aufbau des Regelkreises im Constant Force Mode.
Abbildung 2:
Schematischer Aufbau des Regelkreises im Tapping Mode
Geräte und Funktionen 3
Die beiden Abbildungen geben eine Übersicht aller Geräte und ihrer Verschaltung. Für den Tapping
Mode wurde zusätzlich ein Lock-In-Verstärker (Abbildung 2, Lock-In-Verstärker) eingebaut, der die
Signale zur Schwingungsanregung ausgibt und die detektierte Schwingung auswertet. Auf die Anordnung der Geräte mit der Funktion eines Regelkreises wird in Abschnitt 1.3 näher eingegangen.
1.1. MESSKOPF UND RÖHRENPIEZO
Der Messkopf umfasst neben dem Hebelarm und seiner feinen Spitze auch ein Glasfaserende eines
Laserinterferometers zur Detektion der Hebelarmauslenkung sowie einen Stellpiezo zur Feinjustierung des Abstandes von Faserende zu Hebelarm.
Abbildung 3:
Schematischer Aufbau des Messkopfes.
Die Bauteile wurden auf eine Grundplatte aus Glaskeramik befestigt. Auf der einen Seite der Grundplatte wurde ein Edelstahlblock angebracht, welcher eine V-Nut und eine Klammer besitzt (s. Abbildung 3). Diese Klammer hält die Ferule, welche mittig durch die Grundplatte geführt wurde, in der VNut. Sie führt wiederum die Glasfaser des Interferometers an den Hebelarm. Auf der anderen Seite
ist auf einem weiteren Edelstahlblock ein Stellpiezo aufgeklebt. Auf ihm wiederum befindet sich ein
Neodym-Eisen-Bor-Magnet (NdFeB-Magnet), der ein Weicheisenplättchen halten kann, auf dem der
Träger des Hebelarms (Carrier) aufgeklebt ist. Das Plättchen liegt zum einen sehr fest an dem Magneten an, so dass es während einer Messung nicht zu Verschiebungen des Hebelarms kommt, zum anderen kann es mitsamt des Trägers abgenommen werden, um den Hebelarm zu wechseln. So muss
nicht der gesamte Messkopf abgebaut werden, wenn ein Hebelarm defekt ist oder er für einen anderen Betriebsmodus ausgewechselt werden muss.
Der gesamte Messkopf ist auf ein Röhrenpiezo (engl. piezo tube) aufgesetzt und angeschraubt. Beide
wurden in das Innere eines zylinderförmigen Metallgehäuses eingearbeitet (siehe Abbildung 4). Aus
dem Metallgehäuse ragen drei Metallstifte heraus, die über den Messkopf reichen. Sie können mithilfe von drei Mikrometerschrauben justiert werden. Auf diese Stifte wird die Probe gelegt und von
oben über die drei Mikrometerschrauben dem Messkopf und dem Hebelarm „grob“ angenähert. Dies
Geräte und Funktionen 4
hat zusätzlich den Vorteil, dass die Probenoberfläche, in der durch die drei Auflagepunkte definierten
Ebene, geneigt werden kann. Zur feineren Annäherung dient danach die vertikale Auslenkung des
Röhrenpiezos.
Abbildung 4:
Metallgehäuse mit nach oben zeigenden Justierstiften, innenliegendem
Messkopf und aufgelegter Probe.
Die Konstruktion steht in einem Kunststoffständer auf einem Marmortisch, um Messkopf und Probe
möglichst gut vor äußeren Schwingungsanregungen zu schützen. Falls nötig, kann über das Mikroskop eine Glasglocke gestülpt werden, damit auch durch Luft keine Schwingungen übertragen werden können.
1.2. LASERINTERFEROMETER
Das Laserinterferometer auf Glasfaserbasis übernimmt hier die Funktion des Auslenkungsdetektors.
Die Abbildung 5 zeigt eine schematische Darstellung des Laserinterferometers und der Wechselwirkung zwischen ihm und dem Hebelarm. Mithilfe des Interferometers kann der Abstand zwischen dem
in der Abbildung dargestellten Glasfaserende und dem Hebelarm bestimmt werden. Diese Information macht man sich zunutze, um eine Aussage über die Bewegung des Hebelarms zu erhalten. Da
während einer Messung die Glasfaser eine feste Position besitzt, lässt eine gemessene Abstandsänderung auf eine Auslenkung beziehungsweise auf eine Positionsänderung des Hebelarms schließen.
Nachfolgend wird kurz das Messprinzip dieses Interferometers beschrieben. Die Laserdiode des Interferometers emittiert Licht mit der Wellenlänge
, welches durch eine Glasfaser geführt
wird. Ein Richtkoppler leitet dieses Licht durch eine weitere Glasfaser auf die spiegelnde Oberfläche
des Hebelarms. Am Ende dieser Glasfaser wird ein kleiner Lichtanteil am Faser-Luft-Übergang reflektiert (ca. 4-5%) und bewegt sich in der Faser mit einer Phasenverschiebung von zurück.1 Der restliche, transmittierte Anteil wird an der Oberfläche des Hebelarms nahezu parallel reflektiert und fällt
1
Die Phasenverschiebung der reflektierten Welle ist durch die Fresnel-Gleichungen für den Spezialfall erklärt, dass es sich
um eine senkrechte Reflexion handelt. Dabei ist es irrelevant, ob an der Grenzfläche vom optisch dünneren zum optisch
dichteren Medium oder umgekehrt reflektiert wird.
Geräte und Funktionen 5
wieder in die Glasfaser. Innerhalb der Faser kommt es zur Interferenz der beiden rücklaufenden Wellen, deren Ausmaß von dem Phasenunterschied zwischen den beiden Wellen abhängt. Diese „Interferenzwelle“ bewegt sich zurück zum Richtkoppler, welcher sie zu einer Fotodiode leitet. Dort wird
die Intensität des Lichts gemessen und als Stromstärke oder Spannung ausgegeben. Diese Intensität ist ein Maß für den relevanten Abstand.
Abbildung 5:
Schematischer Aufbau des Laserinterferometers und der Wechselwirkung am
Glasfaserende.
Ändert sich der Abstand , verändert sich auch die Strecke, die das transmittierte Licht zurücklegen
muss. Dies führt wiederum zu einer Phasenänderung zwischen den beiden reflektierten Wellen. Eine
veränderte Phase bewirkt eine andere Interfenz, was sich durch ein verändertes Signal an der Fotodiode bemerkbar macht.
Die Intensität , die von der Fotodiode detektiert wird, verläuft jedoch nicht linear zum Abstand ,
sondern hat einen cosinusförmigen Kurvenverlauf mit der Gleichung
(1)
mit der mittleren Intensität
(2)
und dem Intensitätskontrast
(3)
wobei
dem Intensitätswert bei maximaler konstruktiver Interferenz entspricht und
dem bei
maximaler destruktiver Interferenz. Man erhält die Gleichung durch die Betrachtung einer Zweistrahleninterferenz an dünnen Schichten.
Geräte und Funktionen 6
Die Abbildung 6 zeigt den theoretischen Verlauf einer solchen - -Kurve in dem Abstandsbereich
bis . Neben den beiden Extremwerten, die sich abwechselnd bei einem Vielfachen von
ausbilden, sind auch die Wendepunkte der Funktion eingezeichnet. An den so genannten QuadraturPunkten (Q-Punkten) des Kurvenverlaufes, die sich bei Abständen von
be2
finden, ist die Steigung am größten, daher liegt hier die größte Sensitivität für Änderungen vor. Vor
Messungen mit dem RKM wird deshalb der Abstand zwischen Glasfaser und Hebelarm so eingestellt,
dass sich das Signal des Laserinterferometers an einem dieser Q-Punkte befindet, um die Messempfindlichkeit zu erhöhen. Der Stellpiezo zur Feinjustierung dieses Abstandes wird deshalb auch Q-Piezo
genannt.
Abbildung 6:
Theoretischer Verlauf einer Intensität-Abstand-Kurve aus Gleichung (1) im Größenabstand einer Wellenlänge.
Zwischen der Intensitätsänderung und der Abstandsänderung
kann am Q-Punkt näherungsweise ein linearer Zusammenhang angenommen werden, wenn die Änderung sehr klein ist. Das Verhältnis von und
kann durch die Ableitung von (1) an der Stelle
ermittelt werden. Das
Verhältnis
(4)
stellt den Umrechnungsfaktor zwischen Intensität und Abstand dar:
(5)
2
Unter großer Sensitivität versteht man, dass kleine Abstandsänderungen große Intensitätsänderungen bewirken.
Geräte und Funktionen 7
Mit den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich der Zusammenhang
(6)
der neben der Wellenlänge von dem Spitze-Spitze-Wert
eine korrekte Umrechnung genau bestimmt werden.
abhängt. Dieser muss für
Das Intensitätssignal des Laserinterferometers wird als Spannungswert auf einem digitalen Oszilloskop angezeigt und dient am Eingang des DSP-Boards als Regelsignal für den digitalen Regelkreis im
Constant Force Mode. Im Falle des dynamischen Messmodus wird das Signal noch zusätzlich an den
Eingang eines Lock-In-Verstärkers gelegt.
1.3. DIGITALER REGELKREIS, DSP-BOARD MIT STEUERSOFTWARE
Abbildung 7:
Schematischer Aufbau des Regelkreises mit Details der Komponenten des PIReglers und der Regelstrecke.
Für die Realisierung der beiden Modi benötigt das gesamte System einen Regelkreis, der dafür sorgt,
dass der Hebelarm stets die gleiche Auslenkung bzw. Schwingungsamplitude besitzt. Dafür ist in dem
DSP-Board, welches die Schnittstelle zwischen PC und Mikroskop darstellt, ein PI-Regler eingebaut.
Diesem Regler wird ein Soll-Wert für Auslenkung bzw. Amplitude vom PC als Spannung vorgegeben.
Weiterhin nimmt er das Spannungssignal vom Laserinterferometer, Ist-Wert, auf und subtrahiert
diesen vom Soll-Wert. Diese Differenz versucht der Regler nun auszugleichen, indem er die Differenz
parallel in einen proportionalwirkenden und einen integralwirkenden Regler gibt. In dem P-Regler
wird der Differenzwert lediglich mit einem eingestellten Faktor versehen. Im I-Regler werden jedoch
mehrere Werte zuerst über einen kurzen Zeitraum aufsummiert und dann mit einem Faktor multipliziert. Anschließend werden beide Werte miteinander addiert. Dieser Wert kennzeichnet die Stellgröße für die -Richtung und wird als Spannung an den -Piezo gegeben, welcher wiederum den Hebelarm korrekt nachregelt.
Geräte und Funktionen 8
Die gesamte Messung mit dem RKM wird von dem Computerprogramm „Gnome X Scanning
Microscopy“ (GXSM) gesteuert. In die Software werden zum einen die relevanten Messparameter
eingegeben, wie der Scan-Bereich, die Scan-Geschwindigkeit, die Pixel-Anzahl und bei einem geregelten Modus zusätzlich die Geschwindigkeit der Regelung und der Soll-Wert, auf den der Ist-Wert des
Laserinterferometers konstant gehalten werden soll.
Für den Rastervorgang und die eigentliche Regelung während einer Messung ist jedoch nicht die
Software zuständig, sondern das mit ihr verbundene DSP-Board. Dieses Board des Typs Signal Ranger
kommuniziert mit der Software auf zwei Weisen. Auf der einen Seite nimmt es die Messparameter
der Software in digitalisierter Form auf, wandelt sie in analoge Spannungssignale um und gibt sie an
die restlichen Geräte weiter. Es erstellt dafür eine Messroutine, bei der vor allem die Bewegung des
Röhrenpiezos geregelt wird, um die Probe zeilenweise abzurastern. Auf der anderen Seite nimmt das
DSP-Board die Signale des Laserinterferometers beziehungsweise im dynamischen Modus die vom
Lock-In-Verstärker verarbeiteten Signale auf, um sie entweder als digitales Signal an GXSM weiter zu
geben oder um damit die -Spannung nachzuregeln und diesen veränderten Spannungswert an die
Software zu senden. In beiden Fällen erhält GXSM von dem DSP-Board einen positionsabhängigen
Wert der Oberflächentopographie. Außerdem wird die Stellgröße der -Richtung auch auf dem Oszilloskop angezeigt, um das zeitlich Verhalten besser überprüfen zu können.
1.4. MISCHER UND VERSTÄRKER
Der Mischer ist für die Umsetzung der -, - und -Steuersignale auf eine Bewegung der
Piezoröhrchens mit den vier Elektroden notwendig. Während die - und -Signale auf die jeweils
gegenüberliegenden Elektroden gegeben werden, muss das -Signal auf allen vier gleichzeitig anliegen. Der Mischer mixt also die -Spannung mit den - und -Spannungen. Zusätzlich wird die Spannung um den Faktor erhöht, um größere Höhenunterschiede zu realisieren.
Die von der Steuerung vorgegebenen -, - und -Spannungen liegen in einem Bereich von
. Um
die Spannungen und somit die Auslenkungen des Piezos auch in - und -Richtung zu erhöhen, wird
hinter dem Mischer ein Hochvoltverstärker geschaltet, der die Spannungen um den Faktor
erhöht. Dadurch können größere Bereiche bis zu
abgerastert und Höhenunterschiede
von ca.
ausgeglichen werden.
Weiterhin hat der Hochvoltverstärker einen zusätzlichen Ausgang, dessen Spannung über ein 10Gang-Potentiometer im Bereich bis
bzw. verstärkt von bis
eingestellt werden kann.
Dieser Ausgang ist an den Q-Piezo angeschlossen, mit dem der Abstand zwischen Hebelarm und Glasfaser eingestellt wird. Im dynamischen Messbetrieb wird darüber zusätzlich noch das Wechselspannungssignal aus dem Lock-In-Verstärker an den Q-Piezo gelegt (siehe Abbildung 2).
1.5. LOCK-IN-VERSTÄRKER
Der SR830 Lock-In Amplifier der Firma „Stanford Research Systems“ ist ein 100kHz-DSP-Lock-InVerstärker und wird bei dem RKM im Tapping Mode dazu verwendet, die Schwingungen des Hebelarms anzuregen und dessen Schwingungsamplitude empfindlich zu messen. Der eine Ausgang des
Geräte und Funktionen 9
Gerätes ist an dem Q-Piezo angeschlossen und regt diesen durch eine sinusförmige Spannung zu
Schwingungen an, wobei Frequenz, Amplitude und Phase eingestellt werden können. Dieses Signal
gelangt dann über den Hochvoltverstärker zum Q-Piezo. Dieses Wechselsignal wird mit einer Gleichspannung überlagert, die über das 10-Gang- Potentiometer eingestellt werden kann und den mittleren Abstand von Hebelarm zu Glasfaser bestimmt.
Das Eingangssignal des Lock-In-Verstärkers ist die vom Interferometer detektierte Schwingung des
Hebelarms. Das Gerät ermittelt neben dem Phasenunterschied zwischen anregender und gemessener Frequenz einen Vergleichswert für die reale Schwingungsamplitude des Hebelarms. Dafür
summiert er über ein einstellbares Zeitintervall (mit „Time Constant“ bezeichnet) die Root-MeanSquare-Werte (RMS-Werte)
Summe
des Spannungssignals
kann durch den Faktor
vom Interferometer auf. Diese RMS-
auf die wahre Amplitude
umgerechnet werden:
(7)
Anschließend werden jedoch nicht die Amplitudenwerte sondern die RMS-Werte an das DSP-Board
weitergegeben, welche dann zur Regelung genutzt oder direkt an GXSM geleitet werden.
Bedienung des RKM 10
2. BEDIENUNG DES RKM
Die gesamte Apparatur sollte in der folgenden Reihenfolge in Betrieb genommen werden:
(0) PC einschalten und GXSM-Software starten
(1) Laserinterferometer einschalten (Schlüssel umdrehen und langsam auf
drehen)
(2) Mischelektronik und Oszilloskop einschalten
(3) Hochvoltverstärker einschalten
(4) Programm „Cheese“ starten (Software für USB-Kamera)
(5a) wenn benötigt: Lock-In-Verstärker einschalten
(5b) Kabel in den Lock-In-Verstärker stecken
2.1. Q-PUNKT DES LASERINTERFEROMETERS
Tapping Mode
Constant Force Mode
Als Quadraturpunkt (Q-Punkt) wird jener Punkt in der Intensitätskurve des Laserinterferometers bezeichnet, bei dessen Abstand zwischen Glasfaser und Hebelarm die Intensität die größte Sensitivität
besitzt. Aufgrund des cosinusförmigen Kurvenverlaufes befindet sich dieser Q-Punkt genau auf dem
Mittelwert der Intensität zwischen den maximalen und minimalen Intensitätswerten. Um diesen
Q-Punkt einzustellen, wird, je nach Betriebsmodus, unterschiedlich vorgegangen.

mithilfe des Potentiometers am Hochvoltverstärker den Abstand über den Q-Piezo
variieren und die gemessene Intensitäten als Spannungswerte am Oszilloskop ablesen

maximale und minimale Spannungswerte ermitteln

Abstand auf die mittlere Intensität einstellen und darauf achten, dass man sich auf
dem steigenden Kurvenabschnitt zwischen Minimum und Maximum befindet

mithilfe des Potentiometers am Hochvoltverstärker Abstand variieren

gemessene Intensitäten werden als Spannungswerte am Oszilloskop angegeben, besitzen aber durch die Schwingung des Hebelarms einen sinusähnlichen Verlauf

den Abstand so einstellen, bis der RMS-Wert der Schwingungsamplitude des Hebelarms am Lock-In-Verstärker einen Maximalwert erreicht

zum Ermitteln der maximalen und minimalen Intensitätswerte wird die anregende
Amplitude am Lock-In-Verstärker so weit erhöht, bis sich die Maxima des
Interferometersignals der damit gemessenen Hebelarmschwingung auf dem Oszilloskop von einem reinen sinusförmigen Verlauf in einen Kurvenverlauf mit umkehrenden Maxima verändert – die Folge ist eine Frequenzverdoppelung (s. Abbildung
8)
Bedienung des RKM 11
Abbildung 8:
Schwingungsverlauf am Oszilloskop mit umgekehrten Maxima bei einem eingestellten Abstand nahe dem Q-Punkt und einer großen Schwingungsamplitude.
2.2. ANNÄHERUNG VON PROBE UND HEBELARM
Jede Probe befindet sich mittig auf einem kreisförmigen Probenhalter. Die Probe kann wie folgt an
die Spitze angenähert werden.

Stifte des Metallgehäuses mithilfe der Mikrometerschrauben möglichst maximal weit ausfahren und den Probenanhalter darauf vorsichtig positionieren

in GXSM unter dem Reiter „Advanced“ die Regelung der Höhe aktivieren („Enable Feedback“)

Stifte langsam und gleichmäßig nach unten fahren, bis sich Probe und Hebelarm fast berühren
(mithilfe des USB-Mikroskops und der Software „Cheese“ kann dieser Vorgang genau beobachten werden)

unter dem Reiter „Feedback & Scan“ mit dem Schieberegler den Set-Point so einstellen, dass
das -Regelsignal den Messkopf in Richtung Probe auslenkt

das Mess- und -Regelsignal auf dem Oszilloskop beobachten

die Probe nun weiter über die Mikrometerschraube an den Messkopf vorsichtig annähern bis
das -Signal des Piezos zu reagieren beginnt; es ist die richtige Position erreicht, wenn das Signal nahe
liegt

Achtung im Tapping Mode: sollte das Signal des Interferometers keine Hebelarmschwingungen
mehr zeigen, muss die Probe erst wieder zurückgefahren werden, damit der Hebelarm wieder
schwingen kann
Bedienung des RKM 12
mit einem Schieberegler den Set-Point nochmals kontrollieren
TM
CFM



Set-Point so einstellen, dass der Hebelarm relativ weich auf die Probe drückt, also
dass das -Signal auf dem Oszilloskop gerade eben reagiert

Set-Point so einstellen, dass sich die Schwingungsamplitude am Oszilloskop auf ca.
verkleinert
am Ende Q-Punkt überprüfen und wieder einstellen
Nach dem Einschalten aller Geräte, der Einstellung des Q-Punktes und der Annäherung von Probe
und Hebelarm geht es darum, die richtigen Einstellungen für die Messparameter im Messprogramm
der GXSM-Software vorzunehmen.
2.3. MESSUNG MIT GXSM
Mithilfe von GXSM können alle Mess- und Regelparameter eingestellt werden, mit denen das DSPBoard den Mikroskopiervorgang steuert. Es können folgende Einstellungen gemacht werden:

Messbereich („Range XY“): einstellbar von

Ausgangsposition („Offset XY“): einstellbar von

Pixelanzahl („Points XY“): bevorzugt

Messgeschwindigkeit („ScanSpd“): einstellbar von
bis

Regelparameter („CP“, „CI“): einstellbar von bis
im CFM, von
bis
bis
oder
Pixel
bis
im TM
Alle Einstellungen, bis auf die Ausgangsposition, beeinflussen die Durchführungszeit der Messung.
Weiterhin sollten folgenden Hinweise beachtet werden:

die Ausgangsposition muss so gewählt werden, dass der Scan-Bereich im maximalen Bereich
von
liegt

Messgeschwindigkeit und Regelparameter sollten anfangs niedrig eingestellt und abhängig von
den Messsignale und -ergebnissen während der Messung angepasst werden

wird die Messgeschwindigkeit erhöht, müssen auch die Regelparameter erhöht werden
Über „Start Scan“ kann nun die Messung gestartet werden. Im unteren Bereich des Fensters wird die
vergangene und verbleibende Messzeit angezeigt.
Bedienung des RKM 13
Abbildung 9:
Fenster der Software „GXSM“.
Während einer Messung werden in einem zusätzlichen Fenster die Echtzeit-Messsignale des DSPBoards angezeigt und in vier weiteren Fenstern die vorläufigen Ergebnisse aus Regelsignal und Regelproblemen, jeweils für die Hin- und Rückbewegung der Spitze während der Rasterung. Mithilfe
dieser Fenster kann der Messvorgang überwacht und rechtzeitig erkannt werden, wenn die Messung
nicht den erwünschten Erfolg (richtiger Bereich, gute Auflösung, minimale Fehler in der Regelung)
verspricht (siehe Abbildung 10).
Abbildung 10: Fenster der Echtzeit-Messergebnisse
Bedienung des RKM 14
2.3.1.
KALIBRIERUNG VON GXSM
Ist GXSM zum ersten Mal in Verwendung, so müssen die Messparameter für die drei Raumrichtungen
zunächst korrekt eingestellt werden. Da GXSM vom DSP-Board nur Spannungswerte erhält, werden
Umrechnungsfaktoren benötigt, mit denen das Programm aus Spannungsänderungen Abstandsänderungen ermittelt. Nur so können Topographie-Dateien mit Streckeneinheiten erstellt werden.
Zu Beginn sind die -, -, -Werte unter Setting -> Preferences -> Inst-SPM auf 1 eingestellt (Instrument/ .. Piezo AV). In dieser Einstellung wird wie folgt vorgegangen:

mit GXSM eine Eichprobe mit bekannten Maßen aufnehmen

mit Gwyddion die Eichabstände in alle drei Richtungen abmessen

jeweiliges Verhältnis von realem Abstand und gemessenen Abstand bilden und in den GXSMEinstellungen in das jeweilige Feld anstelle von 1 eintragen
2.3.2.
KRAFT-ABSTAND-KURVE/ AMPLITUDE-ABSTAND-KURVE
Neben der Abbildung von Oberflächen besitzt GXSM die Möglichkeit, spektroskopische Aufnahme zu
machen: An einem festen Punkt über der Probe wird die Kraft (statisch) bzw. Amplitude (dynamisch)
dauerhaft gemessen, während der Hebelarm aus bestimmter Entfernung an die Probe fährt, bis zu
einem gewissen Umkehrpunkt, und dann wieder zum Ausgangspunkt zurückkehrt. Das Resultat ist
die Kraft-Abstand-Kurve bzw. Amplitude-Abstand-Kurve.

eine relativ harte und glatte Probe auf das Mikroskop legen und wie bei einer TopographieMessung annähern

im GXSM-Fenster unter dem Reiter „Z“ den Start- und Endwert der Bewegung eingeben und
Auto Plot anklicken; Button „Execute“ betätigen
Der Hebelarm fährt bis zu dem Startwert weg von der Probe, bewegt sich bis zum Endwert zu ihr
hin und dann wieder zum Ausgang zurück. Dabei nimmt GXSM die Kraft/ Amplitude zwischen Starund Endwert auf und trägt sie automatisch gegen den Abstand auf.

zur Aufnahme eines ganzes Zyklus, Ausgang -> Startwert -> Endwert -> Ausgang, zusätzlich das
Feld „Dual Mode“ anklicken und danach „Execute“ drücken
Auswertung mit Gwyddion 15
3. AUSWERTUNG MIT GWYDDION
Bei der Software Gwyddion handelt es sich um ein freies Auswertungsprogramm, speziell für mit Rasterkraftmikroskopen aufgenommene Bilder.3 Neben der Visualisierung der mit GXSM aufgenommenen Bilddaten ist ein umfangreicher Werkzeugkasten für die Bildbearbeitung vorhanden. Bei der Bildbearbeitung ist zu unterscheiden, ob es sich um Bearbeitungsschritte handelt,
welche die Rohdaten nur so aufbereiten, dass eine optimale Visualisierung
der Daten erfolgt, oder ob es sich um Bildfilter handelt, welche die Rohdaten
verändern.
Die folgende Erläuterung der Software geschieht für die deutsche Version.
3.1. ERSTE SCHRITTE IN GWYDDION
Am Anfang jeder Auswertung steht das Öffnen und Aufbereiten der Daten für
eine optimale Darstellung. Ggf. können kleinere Bildfehler auch ausgebessert
werden:

Programm starten

Topographie-Datei öffnen unter Datei ->Öffnen

Bild automatisch ausbessern lassen unter „Daten aufbereiten“; relevante Anwendungen:
o
„Subtraktion der Mittelwertebene“
o
„Facetten nach oben zeigen“
o
„Abgleichen des Höhenmedians“
o
„Horizontale Fehlerzeilen (Striche, Schmisse) korrigieren“
Abbildung 11: Hauptfenster in Gwyddion
Der Erfolg der Bildaufbereitung kann bei den Datensätzen unterschiedlich sein. Teilweise kann es
vorkommen, dass sich das Bild eher verschlechtert als verbessert. Es muss dann manuell mithilfe der
„Werkzeuge“ ausgebessert werden.
3

„Daten zuschneiden“, falls Verzerrungen am Bildrand zu erkennen sind, da diese bei der Aufbereitung hinderlich sein können

individuelle Punkte oder Linien setzen, die sich auf gleicher Ebene/Höhe befinden müssten:
o
„Daten mittels Ebene durch drei Punkte nivellieren“; die Größe der Punkte kann variiert
werden
o
„Level rows using intersections with given lines“; die Dicke der Striche kann variiert werden
Kostenloser Download unter: http://gwyddion.net/download.php
Auswertung mit Gwyddion 16
Weiterhin kann die Betrachtung und Darstellung der Topographie unterschiedlich erfolgen.

Richtung des einfallenden Lichts verändern mit „Daten schattieren“

Bild mit einem bestimmten Farbspektrum einfärben, Bild->rechte Maustaste auf Höhenskala->
Farbspektrum auswählen

„3D-Ansicht der Daten anzeigen“ zur räumlichen Betrachtung der gemessenen Probe
Abbildung 12: Datenfenster in Gwyddion (Normal- und 3D-Ansicht)
3.2. VERMESSUNG DER PROBEN
Mit Gwyddion können Abstände und Höhenunterschiede zwischen Punkten ermittelt und Höhenprofile über ausgewählte Strecken angelegt werden.



„Wert unter dem Mauszeiger auslesen“:
o
Punkt auswählen und seine Koordinaten anzeigen lassen mit
o
Möglichkeit, -Wert des Punktes auf null zu setzen – Referenzpunkt
„Abstände und Richtungen zwischen Punkten messen“:
o
Verbindungslinie zwischen zwei zu vermessenden Punkten ziehen
o
Abstände in - und -Richtung und absoluten Abstand in - -Ebene ablesen (Δx, Δy, R)
o
Höhenunterschied ablesen (Δz)
„Profile extrahieren“:
o
Verbindungslinie zwischen zwei zu vermessenden Punkten ziehen oder bereits bestehende Verbindungslinie nutzen
o
Höhenverlauf von Startpunkt bis Endpunkt ablesen (Strecke ist mit „x“, Höhe mit „y“ bezeichnet)
o
Vergleichen mehrerer Profile durch Hinzufügen weiterer Linien
Auswertung mit Gwyddion 17
Abbildung 13: Fenster beim Messen von Abständen und Höhenprofilen
3.3. REKONSTRUKTION DER SPITZE
Anhand einer speziellen Topographie-Messung kann das Programm den vordersten Teil (Apex) der
Spitze, mit dem die Probe berührt wurde, errechnen und darstellen. Dafür sind jedoch spezielle Proben notwendig (so genannte TipCheck-Proben), die eine sehr harte Oberfläche mit vielen scharfen
Kanten und feinen Spitzen besitzen. Ziel ist es, mit den vielen feinen Spitzen auf der Oberfläche die
Tastspitze abzubilden.
Je nach Beschaffenheit und Güte des Spitzenapex entstehen beim Mikroskopieren des TipCheck verschiedene Bilder, zum Beispiel wie in Abbildung 14. Es wurde ein TipCheck mit drei unterschiedlich
guten Spitzen mikroskopiert. Je schlechter die Spitze wird, umso weicher und glatter erscheint die
Oberfläche.
Mit Gwyddion kann man anhand eines solchen Bildes bestimmen, wie die verwendete Spitze ausgesehen haben muss, damit solch eine Oberfläche entsteht. Gwyddion rechnet damit, dass eine sehr
scharfe und harte Probe vermessen wurde, bei der klare Kanten und feine Spitzen zu erkennen sein
müssten. Der Unterschied zwischen aufgenommenem Bild und erwartetem Bild ergibt die Spitzenrekonstruktion.
Auswertung mit Gwyddion 18
Folgende Schritte müssen durchgeführt werden, nachdem die Oberflächentopographie mit einer
guten Auflösung aufgenommen wurde.

Topographie-Datei öffnen und ausbessern

Tool „Blind Tip Estimation“ öffnen unter Daten aufbereiten->Spitze->Blinde Abschätzung

Pixelanzahl des Spitzenbildes auswählen und „Run Partial“ betätigen; je größer die Pixelanzahl
ist, umso länger dauert die Erstellung, es wird eine mittlere Anzahl empfohlen

„OK“ drücken; das Spitzenbild kann wie das Topographiebild farblich verändert und räumlich
betrachtet werden
Abbildung 14: Drei Aufnahmen einer TipCheck-Probe mit drei unterschiedlichen Spitzen (von links
nach rechts Verschlechterung der Spitzenqualität).
3.4. FEHLERBESTIMMUNG UND OBERFLÄCHENREKONSTRUKTION
Gwyddion bietet zwei weitere interessante und informative Funktionen. Ist Gwyddion die Form der
Spitze bekannt, genauer gesagt, hat man die Spitzenrekonstruktion durchgeführt, so kann das Programm die aufgrund der Spitzenform entstandenen, fehlerhaften Bereiche auf der Oberfläche ermitteln und auf dieser Grundlage die aufgenommene Topographie in diesen Bereichen ausbessern. Diese Fehler entstehen, wenn die Spitze an einem Rasterpunkt die Oberfläche in mehreren Punkten
berührt, also auch mit ihrer Seite.
Die Funktion „Bestimmtheitskarte“ errechnet aus der bekannten Spitze jene Oberflächenbereiche, an
denen die Spitze beim Rastervorgang „nur“ einen Einzelpunktkontakt hatte. Diese Punkte werden auf
dem Topographiebild mit roten Markierungen versehen. In allen unmarkierten Bereichen hat die
Spitze die Oberfläche an mehreren Punkten gleichzeitig berührt.
Auswertung mit Gwyddion 19

Öffnen der zu untersuchenden Topographie-Datei.

Anwenden der Bestimmtheitskarte unter Daten aufbereiten -> Spitze -> Bestimmtheitskarte.

Auswählen der abgeschätzten Spitze (Estimated Tip) und „OK“ drücken.
Die fehlerhaften Bereiche können außerdem bezüglich ihrer Topographie annähernd rekonstruiert
werden. Dies macht sich vor allem an Kanten bemerkbar.

(Öffnen der zu untersuchenden Topographie-Datei.)

Anwenden der Oberflächenrekonstruktion unter Daten aufbereiten -> Spitze -> Oberflächenrekonstruktion.

Auch hier wird die abgeschätzte Spitze ausgewählt und „OK“ gedrückt.
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