Ein Rastersondenmikroskop ist eines von mehreren Mikroskopen, die dreidimensionale Oberflächenbilder mit sehr hoher Detailgenauigkeit, einschließlich atomarer Skala, erzeugen. Abhängig von der verwendeten Mikroskopietechnik können einige dieser Mikroskope auch physikalische Eigenschaften eines Materials messen, einschließlich elektrischem Strom, Leitfähigkeit und Magnetfeldern. Das erste Rastersondenmikroskop, genannt Rastertunnelmikroskop (STM), wurde Anfang der 1980er Jahre erfunden. Die Erfinder des STM erhielten wenige Jahre später den Nobelpreis für Physik. Seitdem wurden mehrere andere Techniken erfunden, die auf den gleichen Grundprinzipien basieren.
Alle Rastersondenmikroskopietechniken beinhalten eine kleine, scharfe Abtastung der Oberfläche des Materials, da Daten aus dem Scan digital erfasst werden. Die Spitze der Abtastsonde muss kleiner sein als die Merkmale auf der abzutastenden Oberfläche, um ein genaues Bild zu erzeugen. Diese Spitzen müssen alle paar Tage ersetzt werden. Sie werden normalerweise auf Auslegern montiert, und bei vielen SPM-Techniken wird die Bewegung des Auslegers gemessen, um die Höhe der Oberfläche zu bestimmen.
Bei der Rastertunnelmikroskopie wird zwischen der Rasterspitze und der abzubildenden Oberfläche ein elektrischer Strom angelegt. Dieser Strom wird durch die Höhenverstellung der Spitze konstant gehalten und so ein topographisches Bild der Oberfläche erzeugt. Alternativ kann die Höhe der Spitze konstant gehalten werden, während der sich ändernde Strom gemessen wird, um die Höhe der Oberfläche zu bestimmen. Da dieses Verfahren elektrischen Strom verwendet, ist es nur auf Materialien anwendbar, die Leiter oder Halbleiter sind.
Mehrere Arten von Rastersondenmikroskopen fallen unter die Kategorie der Rasterkraftmikroskopie (AFM). Im Gegensatz zur Rastertunnelmikroskopie kann AFM auf alle Arten von Materialien angewendet werden, unabhängig von deren Leitfähigkeit. Alle AFM-Typen verwenden eine indirekte Messung der Kraft zwischen der Abtastspitze und der Oberfläche, um das Bild zu erzeugen. Dies wird in der Regel durch eine Messung der Auslenkung des Auslegers erreicht. Die verschiedenen Typen von Rasterkraftmikroskopen umfassen Kontakt-AFM, berührungsloses AFM und intermittierendes Kontakt-AFM. Mehrere Überlegungen bestimmen, welche Art von Rasterkraftmikroskopie für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, einschließlich der Empfindlichkeit des Materials und der Größe der zu scannenden Probe.
Es gibt einige Variationen der Grundtypen der Rasterkraftmikroskopie. Die Lateral Force Microscopy (LFM) misst die Verdrehkraft an der Abtastspitze, was für die Kartierung der Oberflächenreibung nützlich ist. Die Rasterkapazitätsmikroskopie wird verwendet, um die Kapazität der Probe zu messen, während gleichzeitig ein topographisches AFM-Bild erzeugt wird. Konduktive Rasterkraftmikroskope (C-AFM) verwenden ähnlich wie STM eine leitfähige Spitze und erzeugen so ein topographisches AFM-Bild und eine Karte des elektrischen Stroms. Die Kraftmodulationsmikroskopie (FMM) wird verwendet, um die elastischen Eigenschaften eines Materials zu messen.
Es gibt auch andere Rastersondenmikroskoptechniken, um andere Eigenschaften als die dreidimensionale Oberfläche zu messen. Elektrostatische Kraftmikroskope (EFM) werden verwendet, um die elektrische Ladung auf einer Oberfläche zu messen. Diese werden manchmal verwendet, um Mikroprozessorchips zu testen. Die thermische Rastermikroskopie (SThM) sammelt Daten zur Wärmeleitfähigkeit und kartiert die Topographie der Oberfläche. Magnetkraftmikroskope (MFM) messen das Magnetfeld auf der Oberfläche zusammen mit der Topographie.