Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie

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Aufzeichnung der Topographie (links) und des Stromflusses (rechts) mithilfe der CAFM an einem polykristallinen HfO2 Stapel. Die Bilder zeigen eine sehr gute räumliche Korrelation.

Die Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie[1][2] bzw. die Strom-Spannungs-Mikroskopie (englisch current sensing atomic force microscopy, CS-AFM oder conductive atomic force microscopy, CAFM oder C-AFM) ist eine Rasterkraftmikroskopie-(AFM)-basierte Messmethode, bei der an die Probe ein Kontakt angebracht wird und die AFM-Messspitze als weiterer Kontakt genutzt wird. Während der Messung wird eine definierte Spannung zwischen den Kontakten angelegt, so dass es zu einem Stromfluss durch die Probe kommt. Dieser wird parallel zur Topographie der Probenoberfläche aufgenommen. Bei den meisten Rasterkraftmikroskopen wird CS-AFM im Kontaktmodus durchgeführt, normalerweise können Spannungen im Bereich von +10 V bis −10 V angelegt werden. Das Verfahren kommt hauptsächlich im Bereich der Materialwissenschaften zur Anwendung.

Das Verfahren wird z. T. auch mit Eigennamen der Hersteller wie TUNA (Bruker)[3] oder ORCA (Oxford Instruments) bezeichnet.

Elektrochemische Dehnungs-Mikroskopie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die elektrochemische Dehnungs-Mikroskopie (englisch electrochemical strain microscopy, ESM) ist ein spezielles, um 2010 entwickeltes Verfahren aus dem Bereich der Strom-Spannungs-Mikroskopie. Hier wird zusätzlich die Auslenkung des Federbalkens bei Anlegen einer Sägezahnspannung beobachtet. Bei festen, ionisch leitenden Materialien, wie z. B. Lithium-Ionen-Leitern[4] oder Sauerstoff-Ionen-Leitern (z. B. Samarium-dotiertes Cerdioxid[5]) kann bei Anlegen einer Spannung an die Messspitze eine lokale Dehnung oder Stauchung der Probenoberfläche im Pikometer-Bereich gemessen werden, je nachdem, ob mobile Ionen von der Spitze angezogen oder abgestoßen werden[6]. Unter Berücksichtigung lokaler Aufladungseffekte, die ebenfalls zu einer Auslenkung des Federbalkens führen können, kann mittels ESM Aufschluss über lokale Ionentransportprozesse einer Probe gewonnen werden, insbesondere wenn es sich um ein kristallines Material handelt, das den Vegardschen Regeln gehorcht. Das Verfahren wurde aber auch bereits angewendet um den Ionentransport in organischen Halbleitern[7] oder lithiumionenleitenden Elektrolyten aus Polymeren und Partikeln[8] zu messen.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. ↑ Werner Rom (Hrsg.): Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (C-AFM) In: Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005.
  2. ↑ Elke Beyreuther: Ferroix. 4. Januar 2021.
  3. ↑ Tunneling AFM (TUNA). Abgerufen am 22. August 2022 (englisch).
  4. ↑ Hugues-Yanis Amanieu, Huy N. M. Thai, Sergey Yu. Luchkin, Daniele Rosato, Doru C. Lupascu: Electrochemical strain microscopy time spectroscopy: Model and experiment on LiMn 2 O 4. In: Journal of Applied Physics. Band 118, Nr. 5, 7. August 2015, ISSN 0021-8979, S. 055101, doi:10.1063/1.4927747 (scitation.org [abgerufen am 24. August 2022]).
  5. ↑ Amit Kumar, Stephen Jesse, Anna N Morozovska, Eugene Eliseev, Antonello Tebano: Variable temperature electrochemical strain microscopy of Sm-doped ceria. In: Nanotechnology. Band 24, Nr. 14, 12. April 2013, ISSN 0957-4484, S. 145401, doi:10.1088/0957-4484/24/14/145401 (iop.org [abgerufen am 24. August 2022]).
  6. ↑ A. N. Morozovska, E. A. Eliseev, N. Balke, S. V. Kalinin: Local probing of ionic diffusion by electrochemical strain microscopy: Spatial resolution and signal formation mechanisms. In: Journal of Applied Physics. Band 108, Nr. 5, 1. September 2010, ISSN 0021-8979, S. 053712, doi:10.1063/1.3460637 (scitation.org [abgerufen am 24. August 2022]).
  7. ↑ R. Giridharagopal, L. Q. Flagg, J. S. Harrison, M. E. Ziffer, J. Onorato: Electrochemical strain microscopy probes morphology-induced variations in ion uptake and performance in organic electrochemical transistors. In: Nature Materials. Band 16, Nr. 7, Juli 2017, ISSN 1476-1122, S. 737–742, doi:10.1038/nmat4918 (nature.com [abgerufen am 24. August 2022]).
  8. ↑ Philipp M. Veelken, Maike Wirtz, Roland Schierholz, Hermann Tempel, Hans Kungl, Rüdiger-A. Eichel, Florian Hausen: Investigating the Interface between Ceramic Particles and Polymer Matrix in Hybrid Electrolytes by Electrochemical Strain Microscopy. In: Nanomaterials. Band 2, Nr. 4. MDPI, 15. Februar 2022, doi:10.3390/nano12040654.
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