Labor für Analysen mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM)
Was ist Rasterkraftmikroskopie (AFM)?
Das Rasterkraftmikroskop (AFM für Atomic Force Microscope) ist ein hochauflösendes Nahfeldmikroskop, das es ermöglicht, die Oberflächentopografie einer Probe zu visualisieren, aber auch Tribologie sowie mechanisches, elektrisches oder chemisches Verhalten.
Die Rasterkraftmikroskopie beruht auf dem Prinzip eines Hebelarms (Cantilever) mit einer extrem feinen Spitze (nur wenige Nanometer), die die Oberfläche einer Probe abtastet.
Die Wechselwirkungen zwischen Spitze und Oberfläche erzeugen Signale, die in hochaufgelöste 3D-Bilder umgewandelt werden.
Tatsächlich beruht das Prinzip der mikroskopischen Untersuchung auf Licht. Sobald man jedoch in die Welt des Allerkleinsten vorstößt (unter einigen hundert Nanometern), wird die lichtgestützte Beobachtung unmöglich, da die Auflösungsgrenze bei etwa 100 µm liegt.
Die AFM-Analyse umgeht diese Grenzen, da diese Art der Mikroskopie durch die Messung der anziehenden oder abstoßenden Wechselwirkungen zwischen der AFM-Spitze und der Probenoberfläche funktioniert. Die Auflösung des AFM beträgt 1 Å, also 0,1 nm lateral und vertikal.
Das FILAB-Labor verfügt über modernste AFM-Ausrüstung für die Oberflächenanalyse und insbesondere für die Charakterisierung von Nanomaterialien.
AFM-Leistungen bei FILAB
Oberflächenanalyse und topografische Charakterisierung
Charakterisierung von Nanostrukturen mittels AFM-Messung
Überprüfung der Homogenität einer Beschichtung oder Oberflächenfunktionalisierung
Partikelmessung
Vergleichende Untersuchung der AFM- und REM-Oberfläche
Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften
Dickenmessung
Lokale mechanische Messungen
Suche nach mechanischen Spannungen, die die Ursache eines Bruchs sein können
Lokalisierte mechanische Messung im Rahmen einer Nichtkonformität oder einer Bauteilprüfung
Nanomaterialien und fortgeschrittene AFM-Expertise
AFM-Schulung (technische und pädagogische Begleitung)
AFM in der Biologie
AFM angewandt auf die Gesundheit
Audit und Machbarkeitsstudie
Methodenentwicklung
Interpretation der Rohdaten
Matrix in flüssigem Medium (Zellen, Bakterien, Viren)
Beispiele für Matrizen, die mit AFM analysiert werden können
Das FILAB-Labor analysiert die Oberflächen Ihrer Proben mittels AFM
Warum FILAB für Ihre AFM-Analysen wählen?
- Anerkannte Expertise: ein Team aus Doktoren und Ingenieuren, spezialisiert auf Nanomaterialien und Analysetechniken.
- Modernste Ausstattung: Unser Labor verfügt über AFM-Instrumente der neuesten Generation (AFM, AFM‑IR, UA‑AFM).
- Industrieller Ansatz: maßgeschneiderte Analysen, angepasst an die regulatorischen und normativen Anforderungen jeder Branche.
- Akkreditierungen und Zertifizierungen: FILAB ist für die Qualität und Zuverlässigkeit seiner Ergebnisse anerkannt.
- Technische Begleitung: Wir bieten detaillierte Analyseberichte und eine persönliche Beratung zur Interpretation der Daten.
AFM-Mikroskopie: eine nanometrische Auflösung der Materie
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist eine Oberflächenanalysetechnik mit hoher Auflösung, die es ermöglicht, die Topografie von Materialien auf Nanometerskala zu untersuchen.
AFM bietet eine präzise dreidimensionale Kartierung, ohne dass eine zerstörende Probenvorbereitung erforderlich ist. Diese Technologie ermöglicht insbesondere die präzise Messung der Rauheit, die Analyse lokaler mechanischer Eigenschaften (Youngscher Modul, Adhäsion, Härte) sowie die Identifizierung von Oberflächenheterogenitäten. Das FILAB-Labor stellt dieses AFM-Know-how zur Verfügung, um selbst anspruchsvollste Anforderungen zu erfüllen.
Industrielle Anwendungen der AFM
AFM ist vielseitig und erfüllt zahlreiche analytische Anforderungen, insbesondere:
Topografische Analyse : 3D-Beobachtung der Materialoberfläche, Identifizierung von Defekten oder Unregelmäßigkeiten.
Mechanische Charakterisierung : Messung des Youngschen Moduls, der Adhäsionskräfte oder der Steifigkeit von Materialien.
Nanotechnologien : Analyse von Nanomaterialien, Partikeln oder ultradünnen Beschichtungen.
Rauheitsmessung : Quantifizierung des Oberflächenzustands auf Nanometerskala.
Qualitätskontrolle : Validierung industrieller Prozesse (Oberflächenbehandlungen, Dünnschichten, Polymere).
Biotechnologie und Biomaterialien : Analyse von Zellen, Geweben, Proteinen oder biomedizinischen Oberflächen, Untersuchung mechanischer Eigenschaften (zelluläre Elastizität, Ligand-Rezeptor-Interaktionen) und Bewertung der Biokompatibilität von Materialien
Die verschiedenen Konfigurationen
Das auf Oberflächenanalysen spezialisierte FILAB-Labor stellt Ihnen eine Spitzentechnologie zur Verfügung: AFM (Atomic Force Microscopy).
Diese Technik ermöglicht eine feine und präzise Oberflächenanalyse Ihrer Proben und macht Details sichtbar, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind. Dank AFM sind wir in der Lage, kleinste Unterschiede in der Oberflächentopografie sowie die damit verbundenen physikalischen Eigenschaften zu erkennen und zu analysieren.
Je nach den gesuchten physikalisch-chemischen Parametern können verschiedene AFM-Konfigurationen eingesetzt werden:
AFM: zur Charakterisierung aller Materialarten, zur Durchführung einer Rauheitsmessung (MDR-Kontext), von Elastizitäts-, Haftungs-, Reibungs- und Oberflächenenergieeigenschaften …
Das SMM : „Scanning Microwave Microscopy“ ist ein mit Mikrowellenspektroskopie gekoppeltes AFM. Da die Spitze als lokaler Mikrowellen- (Gigahertz-) Sender und -Empfänger dient, ermöglicht es eine zerstörungsfreie topografische und tomografische Analyse und behält dabei die wesentliche Eigenschaft des AFM bei: die nanometrische Auflösung. Das SMM ermöglicht die Charakterisierung aller Materialarten, die Messung mikrostruktureller Veränderungen, die Identifizierung vergrabener Defekte, die Messung suboberflächlicher mechanischer Spannungen und die Bestimmung von Diffusionsprofilen leichter Elemente (Sauerstoff, Stickstoff und sogar Wasserstoff!) – und das alles zerstörungsfrei... Eine Revolution!
Das UA-AFM ist ein AFM, das mit akustischer Spektroskopie gekoppelt ist. Basierend auf demselben Prinzip wie die Ultraschalluntersuchung ermöglicht es Tomografie im Nano- und Mikrometerbereich zur Charakterisierung aller Materialarten und ist wie das SMM zerstörungsfrei. Da es empfindlich auf Dichteveränderungen reagiert, ermöglicht es die 3D-Rekonstruktion der ersten Mikrometer einer Oberfläche, um Einschlüsse und Defekte zu identifizieren, die Korrosion oder Bruch verursachen können...
Das AFM-IR : ist ein mit Infrarotspektroskopie gekoppeltes AFM. Diese auf dem photothermischen Effekt basierende Technik, der durch Laserbestrahlung ausgelöst wird, ermöglicht eine chemische Kartierung der Oberfläche mit nanometrischer Auflösung.
Diese Kopplung kombiniert nanometrische Analyse und molekulare Identifizierung. Diese Technik ermöglicht es, Topografie, mechanische Eigenschaften und die spezifische Lokalisierung von Biomolekülen zu korrelieren.
Das AFM-Mikroskop, ein Hightech-Gerät
Die Industrie ist ein Bereich, der höchste Präzision erfordert. Deshalb ist die Leistungsfähigkeit eines AFM-Mikroskops für bestimmte industrielle Anwendungen notwendig. Tatsächlich kann die Visualisierung von Strukturen im Nanometerbereich zur Inspektion von Materialien, zur Identifizierung von Oberflächenfehlern und sogar zum Verständnis der Wechselwirkungen einzelner Moleküle eingesetzt werden.
Die Vorteile der AFM-Technik (Atomic Force Microscopy)
Die Vorteile eines AFM-Mikroskops sind zahlreich. Diese Art von Mikroskop ermöglicht eine präzisere Visualisierung von Oberflächen im Nanometerbereich, wodurch eine bessere Analyse der Materialstruktur möglich wird.
Darüber hinaus ermöglicht AFM auch die Messung von Oberflächenkräften wie Haft- oder Abstoßungskräften, ein Parameter, der bei der Herstellung oder Entwicklung neuer Materialien häufig berücksichtigt wird.
Die verschiedenen Sondentypen, die auf dem AFM verwendet werden können
Das AFM kann je nach Beschaffenheit der Probe in mehreren Modi betrieben werden:
Im Kontaktmodus bleibt die Spitze ständig in Kontakt mit der Oberfläche, was eine hohe Auflösung bietet, aber empfindliche Materialien beeinträchtigen kann.
Der Nicht-Kontakt-Modus erfasst Kräfte aus der Distanz, ohne direkten Kontakt, für die Analyse sehr empfindlicher Oberflächen unter kontrollierten Bedingungen.
Der Tapping-Modus reduziert die Belastungen des Kontaktmodus, indem der Kontakt auf intermittierende Berührungen begrenzt wird, ideal für empfindliche Proben.
Weitere Modi können verwendet werden, wie zum Beispiel: Peak Force Tapping und QNM, c-AFM-Modus für Conductive Atomic Force Microscopy, Scanning Capacitance Microscopy-Modus.
Diese beiden Anwendungsmodi sind fortgeschrittene AFM-Techniken. Sie kombinieren die Vorteile der Kraftspektroskopie und des Tappings. Die Spitze des Cantilevers kommt nicht mit der Probe in Kontakt, sondern wird mit einer modulierten Frequenz in Schwingung versetzt, die unter der des traditionellen Tapping-Modus liegt. Die auf die Probe ausgeübte Kraft wird an jedem Scanpunkt gemessen, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche im Nanometerbereich kartiert werden können.
Der QNM-Modus erweitert diese Analyse, indem er eine quantitative Kartierung der beobachteten mechanischen Eigenschaften ermöglicht.
Dank dieses AFM-Anwendungsmodus ist es möglich, die elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche von Materialien im Nanometerbereich zu kartieren. Ein kleiner elektrischer Strom, der durch die Spitze des Cantilevers geleitet wird, scannt die Oberfläche der Probe, und an jedem Punkt wird die elektrische Leitfähigkeit gemessen.
Er ermöglicht die Kartierung von elektrischen Kapazitätsänderungen im Nanometerbereich an der Oberfläche einer Probe. Eine Sondenspitze wird in die Nähe der Oberfläche einer Probe gebracht und bildet so einen Kondensator. Die elektrische Kapazität wird gemessen, indem an die Spitze eine Wechselspannung angelegt und der daraus resultierende Wechselstrom gemessen wird.
Diese Technik ermöglicht es, elektrische Widerstandsänderungen im Nanometerbereich an der Oberfläche einer Probe zu messen und zu kartieren. Eine leitfähige Sondenspitze wird auf die Oberfläche einer Probe gebracht. Der elektrische Widerstand wird in Abhängigkeit von der angelegten Spannung gemessen, während die Spitze die Probe abtastet.
Er ermöglicht die Untersuchung von Rissbildung oder Verformung der Oberfläche einer Beschichtung.
Jeder Modus ermöglicht es, die Präzision und den Erhalt der Probe je nach Zielsetzung zu optimieren.
Reisen ins Unendlich Kleine... AFM im Dienst der extremen Oberfläche
Mehr erfahrenFAQ
In der Oberflächenanalyse ist eine AFM-Analyse unerlässlich für:
- Charakterisierung der Oberflächentopografie : Erfassung von Rauheit, Unregelmäßigkeiten oder spezifischen Strukturen einer Oberfläche mit nanometrischer Präzision.
- Untersuchung von Oberflächeninteraktionen : Messung von Kräften wie Adhäsion, Reibung oder lokalen mechanischen Wechselwirkungen, die in vielen wissenschaftlichen und technischen Kontexten von entscheidender Bedeutung sind.
- Analyse der Materialqualität : Erkennung von Defekten oder Anomalien, Optimierung von Herstellungsprozessen sowie Bewertung der Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit von Materialien.
- Untersuchung von Proben auf nicht destruktive Weise : AFM ist ein nichtinvasives Verfahren, das die Integrität der Proben bewahrt und gleichzeitig eine tiefgehende Analyse ermöglicht.
AFM ist eine technische Lösung, um die physikalischen, mechanischen oder topografischen Eigenschaften einer Oberfläche im Rahmen von Forschung, Entwicklung oder Qualitätskontrolle zu verstehen.
AFM wird zur Charakterisierung von Oberflächen im Nanometerbereich eingesetzt. In der Industrie dient diese Analysetechnik dazu, :
- die Rauheit von Materialien zu bewerten (z. B. Elektronik, Beschichtungen, Verbundwerkstoffe).
- Oberflächenfehler zu analysieren und ihre Ursache zu identifizieren (z. B. Mikrorisse in mechanischen Bauteilen).
- die Gleichmäßigkeit von Beschichtungen oder dünnen Schichten zu kontrollieren (z. B. Optik, Solarenergie).
- die Qualität von Grenzflächen in Multi-Material-Verbindungen zu prüfen.
Die AFM-Analyse identifiziert potenzielle Ausfälle, die mit Oberflächenunregelmäßigkeiten, unerwünschten Partikeln oder Veränderungen der nanometrischen Struktur zusammenhängen. Dadurch lassen sich Herstellungs- oder Behandlungsprozesse anpassen, um die Zuverlässigkeit zu verbessern.
AFM kann eine breite Palette von Matrizen analysieren, darunter :
- Metalle und Legierungen (Analyse von Oxidationen oder Oberflächenbehandlungen).
- Polymere (Charakterisierung von Texturen oder lokalem mechanischem Verhalten).
- Halbleiter (Überprüfung von Ätzungen und Dotierungsschichten).
- Biomaterialien oder biologische Moleküle (für die Pharma- oder Medizintechnik).
Ja, AFM ist dank seines Kontakt- oder Schwingungs-Scanmodus besonders wirksam auf nicht ebenen Oberflächen. Bei stark ausgeprägten Reliefs sind jedoch spezielle Anpassungen der Scanparameter erforderlich.
AFM wird häufig ergänzend eingesetzt zu :
- Rasterelektronenmikroskopie (REM) : für die Darstellung von 3D-Strukturen und die lokale chemische Analyse (EDX).
- Infrarot- oder Raman-Spektroskopie : zur Identifizierung chemischer Bindungen an der Oberfläche.
- Röntgendiffraktometrie (XRD) : zur Untersuchung der Kristallinität.
AFM kann nanometrische Defekte wie frühe Risse oder Dickenvariationen erkennen und ermöglicht es, die Ursachen des Ausfalls zu identifizieren (Applikationsproblem, unzureichende Haftung, Kontamination).
Ja, AFM misst topografische und mechanische Veränderungen infolge einer Wärmebehandlung, wie etwa Änderungen der Rauheit oder Veränderungen der lokalen Struktur.
AFM liefert präzise Daten zur Topografie und zu den mechanischen Eigenschaften, während die Fluoreszenz es ermöglicht, spezifisch markierte Proteine oder Biomoleküle zu identifizieren. Ihre Kombination erlaubt eine korrelative Struktur-Funktions-Analyse.
- Präzise Korrelation zwischen Struktur und molekularer Identität
- Lokale mechanische Analyse
- Hochauflösende Bildgebung
- Dynamische Studien an lebenden Zellen
