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Atomar aufgelöste Rasterkraftmikroskopie an Luft: Aufbau, Technik, Optimierung und Anwendung auf Graphit, Graphen, Kaliumbromid, Calcit und Molekülfilmen

Wastl, Daniel Sebastian - Universität Regensburg (2015)


Diese Arbeit zeigt die Weltneuheit Rasterkraftmikroskopie mit wahrer atomarer Auflösung direkt an Luft und in Flüssigkeiten. Es wurde ein Quarzstimmgabel basierender Sensor -der sogenannte qPlus Sensor- der beliebige Spitzenkristalle tragen kann, verwendet. Wir befassen uns mit dem zugehörigen Aufbau, der Technik und Optimierung, sowie der Anwendung der wahren atomaren Auflösung zur Untersuchung von Graphit, Graphen, Kaliumbromid, Calcit und Molekülfilmen. In diesem Zusammenhang werden einzelne Spitzenmaterialien, wie Silizium, Wolfram, Platin-Iridium, Wolframcarbit und Saphir diskutiert und ihre Eigenschaften und Anwendungen erklärt und demonstriert. Während der Untersuchung von Monolagen- und Bilagengraphen und letztlich Graphit konnte eine selbstorganisierte Streifenstruktur auf den beiden inerteren Oberflächen abgebildet werden. Diese bildet sich scheinbar auf beliebigen, geringreaktiven und mit Graphen bedeckten Substraten an Luft.

Die Optimierung der atomaren Auflösung wird mittels eines neu entwickelten Verfahrens, der sogenannten "Q -Spektroskopie", welche für jede beliebige Spitzen-Proben-Kombination anwendbar ist und die optimalen Abbildungsparameter liefert demonstriert. Das Verfahren wird auf Kaliumbromid in aller Ausführlichkeit gezeigt und schrittweise erarbeitet. Anschließend wird das Verfahren zur Optimierung der Auflösung auf Calcit verwendet und wahre atomare Auflösung an Luft durch das Abbilden von atomaren Fehlstellen im Sauerstoffuntergittern und atomaren Stufen des Kristalles demonstriert.

Außer auf Ionenkristallen wird die neue Technik auch auf Graphit und Graphen zur atomaren Auflösung verwendet und in diesem Zusammenhang das Verhalten und die Eigenschaften hydrophiler Siliziumspitzen und hydrophober, neu eingeführter Saphirspitzen gezeigt und diese gegenüber gestellt. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf den stark voneinander abweichenden Abstandsspektren der verschiedenen Spitzentypen. Es wurde entdeckt, dass die neue Technik an Luft und in Flüssigkeiten (z. B. auf Mica) uneingeschränkt anwendbar und auch für hochviskose Flüssigkeiten kein Hindernis darstellt. Durch die Neuerungen in dieser Arbeit werden nicht nur die Untersuchungen von Oberflächen mit höchster Auflösung direkt an Luft und in Flüssigkeiten möglich, sondern auch die Untersuchung von biologischen Proben oder chemischen Reaktionen in natürlichen Bedingungen. In dieser Arbeit wird somit eine revolutionäre Technik für die Studie von einzelnen Atomen und Moleküle, bis hin zu ganzen lebenden Organismen in kleinsten Dimensionen eingeführt.


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