Was macht eine Scanplattform stabil?

Die Frage nach der Stabilität einer Plattform bzw. eines ganzen SPM-Aufbaus mag zunächst trivial erscheinen: Möglichst viel Granit, dann noch eine Schwingungsdämpfung und einen Hut drüber und schon hat man die beste Stabilität, die man sich wünschen kann...? Fast richtig, aber eben auch nur fast.

Die grundlegendste Optimierungsmöglichkeit eines SPM-Systems besteht dabei, den mechanischen Weg von der Probenoberfläche über das Portal, den Scannerhalter, das Scannergehäuse zum SPM-Sensor hin zu minimieren (siehe Abbildung rechts), Resonanzen zu vermeiden und auf diesem Weg Materialien mit möglichst geringen Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden. 2 cm Aluminium beispielsweise verkürzen bzw. strecken sich bei einer Temperaturänderung von 0,1°C um 50 nm, Eisen und Gestein immer noch mehr als 20 nm und Invar, eine spezielle Eisen-Nickel-Legierung ca. 2 nm. Derartig kleine Temperaturänderungen kommen aber bei einem nicht thermisch isolierten System permanent vor. Man sieht sofort, dass bei Auflösungen von unter 1 nm, was eigentlich alle Rastersondenmikroskope erreichen, ein großer mechanischer Weg zwischen Probe und Sensorspitze leicht zur Unbenutzbarkeit des Systems führen kann. Bei STM-Scannern, die aufgrund der hohen Auflösung die größte Stabilität benötigen, liegt die Probe nahezu auf dem Scannergehäuse, so dass der mechanische Weg nur bei wenigen Zentimetern oder sogar unter einem Zentimeter liegt. Dadurch wird der Einfluss der thermischen Ausdehnung als auch der akustischer Vibrationen minimiert. Um Temperatureinflüsse weiter zu minimieren, wird bei tragenden Konstruktionen im Scanner oftmals die Legierung Invar verwendet (ist bei unseren STM und AFM-Scannern der Fall) und Temperatureinflüsse noch weiter reduziert.

Eine weitere Optimierung besteht darin, die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems möglichst hoch zu bekommen bzw. Resonanzen ganz zu vermeiden und das Portal von der Standfläche mechanisch zu entkoppeln. Liegt die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems sehr hoch, werden akustische Vibrationen und Vibrationen der Standfläche schwächer im Scanergebnis sichtbar. Als störend erscheinen nur die Vibrationen, bei denen Scanner und Probe gegeneinander schwingen und die Abstandsänderung im Bild sichtbar wird. Auch ausladende Konstruktionen wie z.B. ein langer Kameraarm etc. sollten vermieden werden. Diese Konstruktionen wirken wie ein Mikrofon und führen dazu, dass zusätzliche Maßnahmen wie Vibrationsisolation oder akustische Dämpfungshauben zwingend notwendig werden. Resonanzvermindernd wirkt auch Granit durch seine amorphe Struktur, hier können sich resonante Schwingungen gar nicht erst ausbreiten. Eine andere Möglichkeit der Verhinderung von Resonanzen ist die Wahl der Symmetrie eines Systems. Ein gutes Beispiel dafür ist unser "Iglu" Portal, bei dem durch eine Dreieckskonstruktion Resonanzen verhindert werden.

Es ist leicht zu verstehen, dass die kleinstmögliche Scanplattform die beste ist (gleiches gilt natürlich auch für den Scanner und die Probe). Mit unserer kleinsten "Iglu" Plattform kann eine atomare Höhenauflösung auf nahezu jedem Schreibtisch erreicht werden. Ähnlich gut verhält es sich mit der kleinsten Granitplattform, bei der der mechanische Weg nur etwas größer als beim "Iglu" ist, dafür lässt sich aber die Probe besser zu manipulieren und die Handhabung ist etwas einfacher. Müssen große Proben vermessen werden, führt natürlich kein Weg an den größeren Plattformen vorbei. Sollen hier länger andauernde Scans durchgeführt werden, beispielsweise umfangreiche Spektroskopiemessungen, kommt man meist ohne eine spezielle Temperaturstabilisierung nicht aus. Die akustischen Vibrationen führen bei einer guten Konstruktion auch bei den großen Portalen nicht zu stärkeren Störungen als bei den kleinen Portalen.