Mikroskop

Mikroskop ist ein Instrument, das es erlaubt, sehr kleine Objekte vergrößert anzusehen.

Das Wort kommt aus dem griechischen mikros (klein) und skopein (betrachten).






Geschichte des Mikroskops



Der niederländische Brillenmacher Hans Janssen und sein Sohn Zacharias Janssen haben im Jahr 1590 durch Hintereinanderschaltung zweier Linsen das zusammengesetzte Mikroskop erfunden. Ein anderer Erfinder des Mikroskops galt auch Galileo Galilei. Er entwickelte das zusammengesetzte Mikroskop mit einer konvexen und einer konkaven Linse im Jahr 1609. Christiaan Huygens, ebenfalls Niederländer, entwickelte ein einfaches zwei Linsen Okular Stystem im späten 16. Jahrhundert. Es war achromatisch korrigiert und deshalb ein großer Fortschritt in der Entwicklung des Mikroskops. Okulare nach Huygens werden bis heute produziert, sind jedoch im Vergleich zu modernen Weitfeldokularen optisch deutlich unterlegen. Antoni van Leeuwenhoek wird generell dafür geehrt, die Mikroskopie für die Biologie erschlossen zu haben. Einfache Vergrößerungslinsen waren jedoch schon im 16. Jahrhundert bekannt, und das Prinzip der Vergrößerung durch Wasser gefüllte Glasschalen wurde bereits von den Römern beschrieben. Leeuwenhoek war jedoch brillant im exakten Schleifen kleinster Linsen. Seine einfachen Ein-Linsen Mikroskope waren unhandlich zu benutzen, doch da er nur mit einer Linse mikroskopierte, konnte er kleinste Strukturen entdecken, die bis dahin in Mehrlinsen Systemen mit akkumulierenden Linsenfehlern nicht darstellbar waren. So entdeckte Leeuwenhoek die ersten "Animalkulen", d.h. einzellige Bakterien und Protozoen. Es dauerte tatsächlich 150 Jahre bevor das Zusammengesetzte Mikroskop dieselbe Abbildungsqualität erzeugte, wie Leeuwenhoeks einfaches Mikroskop.



Wie stellt man ein Präparat her?

1. Mit einer Pipette bringt man einen kleinen Wassertropfen in die Mitte des Objektträgers.

2. Mit einer feinen Pinzette und einer Präpariernadel wird vorsichtig ein winziges Stück z.B. eines Algenfadens abgezupft und in den Wassertropfen gelegt.

3. Danach lässt man das Deckglas von der Seite her vorsichtig auf das Objekt gleiten.

4. Das überschüssige Wasser wird mit einem Filterpapier seitlich abgesaugt.

5. Das fertige Präparat legt man nun auf den Objekttisch und stellt es im Mikroskop scharf ein.









Mikroskopfachbegriffe



Das Objektiv



Die Aufgabe des Objektiven, das aus mehreren Linsen besteht, ist das optische Vergrößern des Präparates. Ein ideales Objektiv liefert ein scharfes, kontrastreiches und verzerrungsfreies Bild mit guter Wiedergabe von kleinsten Details und gleichmäßige Schärfe vom Zentrum bis zum Rand.
Auf den Objektiven sind meist Zahlenkombinationen aufgedruckt, z.B. 4/0,1; 160/0,17. Diese Zahlen haben die folgende Bedeutung: Das Objektiv vergrößert 4-mal. 0,1 ist die Lichtstärke des Objektiven als numerische Apertur. Der maximale Wert der numerischen Apertur ist 1,0 bei normalen Objektiven. Ölimmersions-Objekte (bei sehr großen Vergrößerungen (ab 1000x) wird ein Tropfen Immersionsöl zwischen Deckglas und Objektiv gebracht) haben als größte theoretische numerische Apertur den Wert 1,4. Auflösungsvermögen (= Wiedergabe der feinsten Details) und Kontrast des Objektivs garantieren ein deutliches und scharfes Bild. 160, die Tubuslänge, ist der Abstand zwischen Objektiv und Okular. Sie wird am Objektiv angegeben, weil die Angabe der Vergrößerung nur korrekt ist, wenn die Tubuslänge eingehalten wird. 0,17, Stärke des Deckglases, muss 0,17 mm betragen (Standard für Deckgläser im größten Teil der Welt). Bestimmte Objektive können bei stärkeren Deckgläsern nicht mehr scharf gestellt werden.

Es bestehen unterschiedliche Objektivtypen, wie z.B.:

Achromatisch: Sind für chromatische Aberration korrigiert, so dass die Abbildungen zweier Farben, meistens rot und blau, zusammenfallen. Die Korrektur für sphärische Aberration ist gering. Bei Vergrößerungen von 30x oder höher, tritt eine starke Verzerrung am Rand des Bildes auf.

Semiplan achromatische Objektive: größtenteils mit achromatischen Objektiven zu vergleichen; sind jedoch für sphärische Aberration und Vergrößerung über 40X korrigiert. Plan (e-Plan) achromatische Objektive: Qualitativ sind dies, die besten Objektive. Die sphärische Korrektur ist derartig gut, dass ein scharfes und kontrastreiches Bild vom Mittelpunkt bis zum Rand des Sichtfeldes zu sehen ist.




Okular



Die Aufgabe des Okulars ist es, das vom Objektiv erzeugte Bild zu vergrößern und kleinere Bildfehler zu korrigieren. Okulare haben gewöhnlich Vergrößerungen von 5 - 20x, die auf dem Okular angegeben werden. Die Vergrößerung des Mikroskops erhält man durch Multiplikation der Objektiv- und der Okularvergrößerung.
Man unterscheidet im wesentlichen folgende Okulartypen:

Weitwinkel - Okulare ( Bezeichnung WF ): Sie produzieren ein besonders großes Blickfeld und bringen das Bild näher ans Auge.

Huygens - Okulare ( Bezeichnung H ): Ein gewöhnliches Okular, welches bei niedrigen und mittleren Vergrößerungen angewandt wird.

Kompensations- Okulare ( Bezeichnung K ): Ein gewöhnliches Okular mit höchster optischer Leistung bei mittleren und großen Vergrößerungen. Okulare können einen hohen Augenpunkt haben, d.h. dass auch Brillenträger das Mikroskop benutzen können, ohne die Brille abzunehmen.







Die Grobeinstellung



Man verwendet die Grobeinstellung zur angenäherten Einstellung der Schärfe. Bei Vergrößerungen von 100 - 150 kann sie allein ausreichen, darüber hinaus sollte das Mikroskop über eine Feineinstellung verfügen.

Die Feineinstellung



Mit der Feineinstellung kann man das Bild auch bei sehr großen Vergrößerungen noch sicher scharf einstellen. Die Fokussierungseinrichtungen (Grob- und Feineinstellung) sollten mit einer Präparatsicherung ausgerüstet sein, um das Objektiv bei einer Fehlbedienung zu schützen.

Der Objekttisch



Der Objekttisch ist die Platte, auf die das Präparat zum Beobachten gelegt wird. Zur Halterung des Präparates dienen meist 2 Federklemmen, hochwertigere Mikroskope besitzen einen Kreuztisch, mit dem das Präparat gehalten und außerdem auf Bruchteile von mm genau verschoben und justiert werden kann. Eine andere Form ist der Zentriertisch; er ist rund und kann mit ein paar Fingerschrauben in alle Richtungen verschoben werden.

Die Beleuchtung



Die einfachste Form der Beleuchtung ist ein Spiegel mit einer geraden und einer hohlen Oberfläche. Eine Beleuchtung mit einer Mikroskoplampe ist meist sinnvoller anzuwenden, da der Betrachter dann nicht von der Lichtstärke des Tageslichtes abhängig ist. 15 - 30 W sind ausreichend für 12 - 1500-fache Vergrößerungen.

Der Kondensor



Zwischen Beleuchtung und Präparat kann ein Kondensor angebracht sein. Er ist oft mit einer Blende (Iris- oder Lochblende) gekoppelt. Der Kondensor ist ein optisches System, welches dazu dient, das Licht besser zum Präparat und zum Objektiv zu leiten.





Arten des Mikroskops




Lichtmikroskop

Das Lichtmikroskop ist ein Mikroskop, das ein Objekt durch optische Abbildung mit Linsen vergrößert.

Das vom Objekt kommende Licht wird durch eine Kombination von mindestens zwei Linsensystemen, dem Objektiv(3) und dem Okular(1), optisch abgebildet. Dabei bildet zunächst das Objektiv das Objekt in ein reales Zwischenbild ab, welches durch das Okular analog zur Lupe vergrößert betrachtet wird. Die Objektive sind in der Regel wechselbar, so dass die Vergrößerung der jeweiligen Aufgabenstellung angepasst wird. Der Objektivrevolver (2) ermöglicht den schnellen Objektivwechsel durch Drehen des jeweils gewünschten Objektivs in den Strahlengang.

Man unterscheidet die Durchlichtmikroskopie, bei der das Objekt transparent oder sehr dünn ist und von der dem Objektiv abgewandte Seite beleuchtet wird, und die Auflichtmikroskopie. Bei dieser wird durch Beleuchtung von der dem Objektiv zugewandten Seite die Oberfläche des Objekts untersucht. Bei der Durchlichtmikroskopie unterscheidet man außer der normalen Hellfeldmikroskopie, Dunkelfeldmikroskopie und Phasenkontrastmikroskopie.

Die Wellenlänge von Licht beschränkt nach den Gesetzen der Optik die Auflösung des Lichtmikroskops auf etwa 0,3 Mikrometer. Zur Erhöhung der Auflösung kann entweder UV-Licht verwendet werden, oder zwischen Objekt und Objektiv wird Öl gegeben (Ölimmersionsmikroskop), wodurch das Mikroskop auch lichtstärker wird.


Polarisationsmikroskop

Ein Polarisationsmikroskop ist ein Lichtmikroskop, das mit polarisiertem Licht arbeitet. Es wird vor allem in der Mineralogie zur Untersuchung von Gesteinsproben eingesetzt.

Unterhalb des Objekttisches befindet sich eine Polarisationsfolie, auch der Polarisator oder Primärfilter genannt, die das Licht der Lichtquelle des Mikroskops polarisiert, d.h. nur Licht durchlässt, das in derselben Schwingungsebene schwingt. Oberhalb des Objekttisches befindet sich eine zweite Polarisationsfolie, die als Analysator oder Sekundärfilter bezeichnet wird und gegenüber der ersten Folie um 90° gedreht ist. Diese Anordnung von Primär- und Sekundärfilter wird \"gekreuzte Polarisatoren\" genannt. Befindet sich keine Probe auf dem Objekttisch, so erreicht kein Licht das Auge, da die zweite Polarisationsfolie für das nur in einer Schwingungsebene schwingende Licht nicht durchlässig ist.

Manche chemischen Verbindungen, zum Beispiel Minerale, haben die Eigenschaft die Schwingungsebene des Lichts zu drehen, sie werden als doppelbrechend oder anisotrop bezeichnet. Durch Drehen des Analysators und somit Änderung der durchgelassenen Polarisationsebene werden solche Strukturen sichtbar; die anderen isotropen Strukturen bleiben dunkel. Auch ist es möglich durch Interferenz auftretende Farben zu beobachten, den Analysator auszuklappen, um die Gesteinsprobe bei linear polarisiertem Licht zu untersuchen oder die Probe bei Auflicht zu betrachten.

Durch Untersuchung der verschiedensten optischen Eigenschaften können so Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Gesteinsprobe gezogen werden.


Fluoreszenzmikroskop

Bei Untersuchungen mit einem Fluoreszenzmikroskop wird das zu untersuchende Präparat mit fluoreszierenden Stoffen angefärbt. Eine UV-Lichtquelle beleuchtet das Objekt, worauf das angefärbte Präparat zu fluoreszieren beginnt. Das heißt es entsteht sichtbares Licht. Dann muss nur noch das schädliche UV-Licht herausgefiltert werden und das vergrößerte Objekt kann beobachtet werden.


Konfokalmikroskop

Ein Konfokalmikroskop ist eine Variante des Lichtmikroskops, das optische Schnitte mit mikroskopischer Auflösung in räumlich ausgedehnten Objekten erzeugen kann. Mit einem Computer können diese Schnittbilder schichtweise zu einer räumlichen Darstellung zusammengesetzt werden.


Konfokales Laser-Rastermikroskop

Die meisten - aber keinesfalls alle - Konfokalmikroskope sind Laser-Rastermikroskope. Bei diesen wird ein Laser-Brennfleck sehr schnell zeilenweise in einer Objektebene gerastert. Das Licht aus dem Brennfleck wird auf eine kleine Lochblende abgebildet, hinter der sich ein lichtempfindlicher Empfänger befindet. Aus dem Empfängersignal wird dann zeilenweise im Computer ein (Schnitt-)Bild zusammengesetzt.

Typische Laser-Scanning-Mikroskope sind komplexe Systeme, die aus folgenden Komponenten bestehen:

· einem klassischen Mikroskop-Stativ

· einem sogenannten Scan-Kopf

· Ansteuerelektronik und -optik für diesen Scankopf

· Computer zur Steuerung der Hardware, Signalerfassung, -auswertung, -darstellung und -archivierung


Konfokales Weißlichtmikroskop

Verwendet man weißes Licht anstelle eines Lasers, so werden auch Farbabbildungen mit einem konfokalen Mikroskop möglich. Allerdings lässt sich weißes Licht nicht mit so hohen Intensitäten auf das Objekt fokussieren, wodurch sich die Beobachtungszeiten verlängern. Darum verfügen konfokale Weißlichtmikroskope meist über mehrere parallele Strahlengänge, die eine gleichzeitige Beobachtung mehrerer Stellen auf dem Objekt ermöglichen. Mit geschickten Anordnungen wie einer Nipkow-Scheibe zur Strahlführung ist so eine Abbildung in Echtzeit möglich.


4Pi-Mikroskop

Ein 4Pi-Mikroskop ist ein Mikroskop, welches zwei Objektive verwendet, die die Probe von hinten und von vorne beleuchten.

Das Vergrößerungsvermögen von herkömmlichen Mikroskopen ist durch eine natürliche Grenze beschränkt. Alles was kleiner als die Länge einer Lichtwelle (250 Nanometer) ist kann nicht mehr abgebildet werden, da das Bild verschwimmt.

Durch das Benutzen von zwei Objektiven überlagern sich die fokalen Lichtflecke und Unschärfen werden ausgeglichen. Dadurch können auch 50 Nanometer große Strukturen scharf abgebildet werden. Durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl wird dieser Effekt noch verstärkt und es können gestochen scharfe 3D-Bilder erstellt werden.

Ein 4Pi-Mikroskop ermöglicht durch 45000fache Vergrößerung den Einblick in eine lebende Zelle. Rastertunnelmikroskope erzielen zwar noch höhere Auflösungen, mit denen sogar Atome abgebildet werden können, sie eignen sich jedoch nur für tote Materialien.






Elektronenmikroskop

Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, das das Innere oder die Oberfläche einer Probe mit Elektronen abbilden kann.

Da schnelle Elektronen eine sehr viel kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht haben (→Welle-Teilchen-Dualismus) und die Auflösung eines Mikroskops durch die Wellenlänge begrenzt ist, kann mit einem Elektronenmikroskop eine deutlich höhere Auflösung (derzeit etwa 0,1 nm) erreicht werden als mit einem Lichtmikroskop (etwa 200 nm).


Geschichte

Die erste auf magnetischen Kräften beruhende Linse wurde 1926 von Hans Busch entwickelt. Als erstes Elektronenmikroskop wurde 1931 ein TEM (Transmissionselektronenmikroskop) von Ernst Ruska und Max Knoll gebaut, es wurden Testweise kleine Metallgitter abgebildet. Für diese Arbeit erhielt Ruska 1986 den Physik-Nobelpreis. Er entwickelte auch bei Siemens 1938 das erste kommerzielle Elektronenmikroskop.

Während in den frühen Jahren die Aufklärung der im Lichtmikroskop unsichtbaren Krankheitserreger (Viren) eine bedeutende Triebfeder für die Entwicklung des Elektronenmikroskops war, erweiterte sich das Interesse später besonders auf die Materialwissenschaft, nachdem Robert D. Heidenreich 1949 die Präparation dünner durchstrahlbarer Metallfolien gelang.

In den 1960er Jahren entwickelte man TEMs mit immer höherer Beschleunigungsspannung (bis zu 3 MV, um 1965 in Toulouse, 1970 in Ōsaka), vor allem um dickere Proben durchstrahlen zu können. In diesem Jahrzehnt wurde auch erstmals atomare Auflösung erreicht.

Seit Ende der 1980er Jahre wurden REMs (Rasterelektronenmikroskop) entwickelt, die mit relativ hohen Gas-Drücken (einige Dutzend mbar) in Probennähe arbeiten können. Dadurch ist es möglich, auch feuchte biologische Proben zu untersuchen. Erwähnenswert ist weiterhin der zunehmende Einsatz von Computern seit den 1990er Jahren. So lassen sich beispielsweise komplizierte Linsensysteme automatisch durch Analyse der Aufnahmen einer CCD-Kamera justieren, was den Bediener des Mikroskops deutlich entlastet.






Technik

Die Hauptbestandteile eines Elektronenmikroskops sind:

v Die Elektronenkanone, die die freien Elektronen in einer Kathode (als Elektronenquelle dient ein Wolframdraht) erzeugt und in Richtung einer ringförmig um die Strahlachse liegenden Anode beschleunigt. Zwischen Anode und Kathode liegt eine Hochspannung, die je nach Mikroskop von wenigen kV bis zu 3 MV variiert.

v Elektronenlinsen, die die Flugbahnen der Elektronen ablenken können. Meistens werden magnetische Linsen verwendet, in der Elektronenkanone zum Teil auch elektrostatische. Elektronenlinsen haben die gleiche Funktion wie Glaslinsen im Lichtmikroskop. Während die Brennweite der Glaslinsen fest liegt, ist sie bei Elekronenlinsen regelbar. Deshalb enthält ein Elektronenmikroskop im Gegensatz zu einem Lichtmikroskop keine austauschbaren oder verschiebbaren Linsen(systeme) wie etwa das Objektiv beziehungsweise das Okular eines Lichtmikroskops.

v Das Vakuumsystem, das dafür sorgt, dass die Elektronenquelle arbeiten kann und die Elektronen auf ihrem Weg nicht durch Kollision mit Luftmolekülen behindert werden.

v Die Probenhalterung, die eine stabile Lage der Probe garantieren muss. Daneben sind oft Manipulationsmöglichkeiten erwünscht, von denen je nach Art des Probenhalters unterschiedliche Kombinationen realisiert werden: Verschiebung, Drehung, Verkippung, Heizung, Kühlung, Dehnung etc.

v Detektoren, die die Elektronen selbst oder sekundäre Signale registrieren.




Nachteile

Da die Proben im Vakuum betrachtet werden müssen, kann kein lebendes Material untersucht werden. Die aufwändige Vorbereitung der Proben kann zu Artefakten führen - Strukturen, die nur durch die Vorbereitung entstanden sind, und nichts mit dem eigentlichen Objekt zu tun haben, was die Auswertung der Bilder erschwert. Darüber hinaus können im TEM die Materialeigenschaften durch die Nähe der Oberflächen von denen kompakter Proben abweichen. Ein weiteres Problem ist die Schädigung der Proben durch den Elektronenstrahl, beispielsweise durch Erwärmung oder Wegstoßen ganzer Atome nach Kollision mit den schnellen Elektronen. Inzwischen ist die Technik soweit gereift, dass es möglich ist, auch feuchte Proben bzw. unbesputtertes Material im REM zu betrachten. Bei genauer Kenntnis der Bedienung der technischen Parameter im REM lässt es sich auch weitgehend zerstörungsfrei arbeiten. Elektronenmikroskope, insbesondere TEMs, sind außerdem sehr teuer in Anschaffung und Unterhalt.


Transmissionselektronenmikroskop

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist eine Betriebsart für Elektronenmikroskope, die eine direkte Abbildung von Objekten mit Hilfe von Elektronenstrahlen ermöglicht.

Das Transmissionselektronenmikroskop wird zur Beobachtung kleiner Struktur mit der Dimension von einigen µm bis hin zu 0,1 nm eingesetzt. Es ist vom Prinzip her dem Lichtmikroskop sehr ähnlich. Trotz der relativ großen Linsenfehler, kann mit Hilfe der Elektronenmikroskopie der atomare Aufbau von Kristallen abgebildet werden. Zum Zwecke von Strukturuntersuchungen kann ein TEM auch im Beugungsmodus betrieben werden.


Rasterelektronenmikroskop

Als Rasterelektronenmikroskop (REM) bezeichnet man ein Elektronenmikroskop, bei dem ein Elektronenstrahl in einem bestimmten Muster über das vergrößert abzubildende Objekt geführt wird und Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Objekt zur Erzeugung eines Bildes vom Objekts genutzt werden.

Die mit einem Rasterelektronenmikroskop erzeugten Bilder sind Abbildungen der Objektoberflächen und sie weisen im Vergleich zu Bildern, die mit lichtoptischen Durchlichtmikroskopen erzeugt werden, eine höhere Schärfentiefe auf. Der maximale theoretische Vergrößerungsfaktor liegt etwa bei 500.000:1, während dieser bei der Lichtmikroskopie bei etwa 2000:1 liegt.


Sekundärelektronenmikroskop

Bei der Sekundärelektronenmikroskopie handelt es sich um die Standardbetriebsart des Rasterelektronenmikroskops (SEM).

Beim SEM wird - wie auch beim Raster-Transmissionselektronenmikroskop - der Elektronenstrahl vom Kondensor-Objektiv-System auf die Probe zu einem möglichst kleinen Fleck fokussiert und zeilenweise über den zu untersuchenden Probenbereich geführt.


Röntgenmikroskop

Für Röntgenmikroskope benötigt man statt Licht Röntgenstrahlungen.

Röntgenstrahlung bietet zunächst den Vorteil der kürzeren Wellenlänge, was potenziell höhere Auflösung ermöglicht. Darüber hinaus unterscheidet sich die Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie von der des sichtbaren Lichtes (z.B. Durchdringungsvermögen, immanenter Elementkontrast, Brechungsindexe), womit ergänzende Informationen über die Probe gewonnen werden können. Da es keine Linsen im Röntgenbereich gibt, muss man auf andere optische Bauelemente ausweichen, die einem die Röntgenoptik zur Verfügung stellt.

Man unterscheidet zwischen abbildenden und rasternden Mikroskopen.

Abbildende Mikroskope arbeiten in der Regel in Transmission. Dabei wird das untersuchte Probenstück von \"vorne\" gleichmäßig ausgeleuchtet und das die Probe durchdringende Licht durch eine Optik auf einen ortsauflösenden Detektor (z.B. eine CCD-Kamera) projiziert.

Bei den rasternden Mikroskopen wird das Röntgenlicht mit Hilfe von Spiegeln unter streifendem Einfall, Spiegel mit Vielschichtsystemen oder Fresnel-Zonenplatten fokussiert. Die Probe wird durch den Fokus bewegt und an jeder Probenposition das gesamte von der Probe kommende Licht gemessen und als Helligkeitswert für das Bild genommen.

Ein Vorteil von Röntgenmikroskopen gegenüber Elektronenmikroskopen ist der, dass bei den Proben keine elektrische Leitfähigkeit vorausgesetzt wird. Biologische Proben können \"Naturbelassen\" bleiben. Das Trocknen und Bedampfen mit einem Metall ist nicht nötig.


Rastersondenmikroskop


Rastersondenmikroskopie ist der Überbegriff für alle Arten der Mikroskopie, bei der das Bild nicht mit einer einzelnen Aufnahme erzeugt wird. Stattdessen wird die zu untersuchende Probe mittels einer Sonde in einem Rasterprozess Punkt für Punkt abgetastet. Der Begriff Sonde ist hierbei nicht wörtlich als ein materielles Gebilde zu verstehen. Es kann sich dabei z.B. auch um den Fokus eines Laser- oder Elektronenstrahles handeln. Die sich für jeden einzelnen Punkt ergebenden Messwerte werden dann zu einen einzigen Bild zusammengesetzt.


Rastertunnelmikroskop

Das Rastertunnelmikroskop oder Rastertunnelektronenmikroskop (RTM) ist ein Mikroskop, das in der Oberflächenphysik eingesetzt wird, und ein Objekt durch \"Abtasten\" abbildet.

Bei diesem indirekten Abbildungsverfahren wird eine elektrisch leitende Spitze systematisch (in einem Raster) über das Untersuchungsobjekt gefahren. Sowohl Nadel als auch Objekt sind von Elektronenwolken umgeben. Der Abstand zwischen dem Objekt und der Spitze wird nun so gering gehalten, dass die Elektronen zwischen der Spitze und dem Objekt ausgetauscht werden (Quantenmechanischer Tunneleffekt). Dies geschieht üblicherweise bei einer Entfernung von unter 1 nm.


Rasterkraftmikroskop

Das Rasterkraftmikroskop (RKM) ist ein 1986 von Gerd Binnig, Calvin Quate und Christoph Gerber entwickeltes Mikroskop zur mechanischen Abtastung von Oberflächen auf der Nanometerskala. Dabei wird eine an einer Blattfeder befestigte Nadel - dem so genannten Cantilever (Messnadel) - zeilenweise über die Oberfläche geführt. Durch die Struktur der Oberfläche wird dabei die Blattfeder gebogen. Die Auslenkung kann mit kapazitiven oder typischerweise optischen Sensoren gemessen werden. Der Krümmungsradius der Spitzen beträgt dabei typischerweise 10 - 20 nm, was je nach Rauigkeit der Probenoberfläche laterale Auflösungen von 0,1 - 10 nm erlaubt. Zur exakten Bewegung der Nadel über die Probe dienen Piezostellelemente, mit deren Hilfe Scannbereiche von bis zu 100 × 100 µm untersucht werden können. Die Scanngeschwindigkeit liegen typischerweise um 1 Hz, was bedeutet, dass pro Sekunde eine Zeile hin und wieder zurück gescannt wird. Bei normalen Bildauflösungen von 250 × 250 bis 500 × 500 Bildpunkten ergibt sich somit eine Messdauer von ungefähr 10 Minuten pro Bild.


Störungen während der Messung


Vibrationen:
Diese kommen zum einen durch Gebäudeschwingungen oder Trittschall zustande. AFM Messplätze werden deshalb gerne auf 15 cm starken Marmorplatten aufgebaut, die auf dämpfenden Druckluftfüßen stehen, oder auch auf mit Piezoelementen aktiv gedämpften Tischen betrieben.
Zum anderen stellt akustischer Schall, der über die Luft direkt auf den Cantilever übertragen wird, eine starke Störquelle dar. Dieses um so mehr je mehr die Resonanzfrequenz des Cantilevers nahe zum Frequenzbereich normaler Geräusche liegt.
Aus diesem Grund ist es sinnvoll AFMs in besonderen Schallschutzboxen zu betreiben. Falls es aus Sicht der untersuchten Probe möglich ist, verbessern Geräte die unter Vakuumbedingungen arbeiten hier ebenfalls nennenswert die Auflösung.

Thermischer Drift:
Durch thermische Ausdehnungen zwischen Probe und Cantilever können im Verlauf eines Messintervalls Verschiebungen von einigen Nanometern auftreten, was sich bei Bildern mit hoher Auflösung als Verzerrung sichtbar macht.

Interferenzerscheinungen:
Bei stark reflektierenden Proben kann es vorkommen, dass ein Teil des Laserstrahls von der Probenoberfläche reflektiert wird und im Photodetektor mit dem Anteil der vom Cantilever kommt interferiert. Dieses macht sich dann in senkrecht zur Scannrichtung verlaufenden Streifen bemerkbar, die dem eigentlichen Höhenbild überlagert sind.

Rasternahfeldmikroskop

Ein optisches Rasternahfeldmikroskop umgeht die Auflösungsgrenze des optischen Mikroskops, indem es nur Licht auswertet, das zwischen einer sehr kleinen (100 Nanometer oder weniger) Nahfeldsonde und der untersuchten Probe ausgetauscht wird. Die Nahfeldsonde wird in einem Raster von Punkten über die Probe bewegt; die Information aus allen Punkten wird zu einem kompletten Bild der Probe zusammengesetzt.

Das verwendete Licht liegt in Form evaneszenter Wellen vor, die in ihrer Ausbreitungsrichtung exponentiell gedämpft sind und daher nur dann auswertbar sind, wenn die Nahfeldsonde weniger als etwa 20 Nanometer von der Probe entfernt ist. Dieses Licht wird daher auch als Nahfeldlicht bezeichnet