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Am Ende einer kleinen Blattfeder (ca. 1 mm lang) befindet sich senkrecht montiert eine kleine Spitze die in Richtung der Materialprobe weist. Mit einem Piezokristall wird diese Sonde, Cantilever genannt, beim Betrieb ohne Oberflächenkontakt (non-contact-mode) bei ihrer Resonanzfrequenz in Schwingung gebracht.
Die Amplitude der Schwingung wird über die Ablenkung eines Laserstrahls gemessen, der von der Blattfeder reflektiert wird. Das Piezostellelement für die Z-Achse verringert den Abstand zwischen Spitze und Oberfläche, bis die Wechselwirkung eine stärkere Dämpfung der Schwingung verursacht und die Amplitude sich daher verkleinert. Über zwei weitere Piezostellelemente erfolgt die X-Y Abrasterung während der Regelkreis die Z-Schwingung nachregelt.
So entsteht eine Topografie (der konstanten Kraft) der Oberfläche. Mit Hilfe der Zoomfunktion kann man sich eine ausgewählte Region mit höhere Auflösung genauer anschauen. Die absolute Positionierung in X-, Y- und Z-Richtung wird durch Dehnungssensoren gesteuert.
Im intermittierenden Modus gibt die Phasenverschiebung zwischen Anregungsfrequenz und Schwingung weitere Auskunft über die Zusammensetzung der Oberfläche. Ausserdem gibt es die Möglichkeit, an ausgewählten Punkten im X-Y Bild Kraft-Abstandskurven aufzunehmen (Kraft als Funktion von Z).
Beim Betrieb mit Oberflächenkontakt (contact-mode) wird die Sonde nicht in Schwingung gebracht, sondern steht in direktem mechanischen Kontakt zur Oberfläche. Die Verbiegung der Blattfeder durch einige Nanonewton Kraft wird über die Ablenkung des Laserstrahls gemessen. Durch den Reibungswiderstand während des Rasterns verkippt sich die Blattfeder. Durch diese Torsion ergibt sich eine Ablenkung des Laserstrahls senkrecht zu obengenannter Ablenkung. Diese Reibungskraftmessung stellt eine zusätzliche Kontrastdarstellung für die Materialzusammensetzung dar.
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