Atomar aufgelöste Rasterkraftmikroskopie an Luft: Aufbau, Technik, Optimierung und Anwendung auf Graphit, Graphen, Kaliumbromid, Calcit und Molekülfilmen
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 ...
Zusammenfassung (Deutsch)
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.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
This work shows the world's first atomic force microscopy with true atomic resolution directly air (ambient condition) and liquids. We used a quartz tuning fork based sensor -the so-called qPlus sensor which can be equiped with any kind of crystal as a tip. We deal with the technike, construction, engineering and optimization, as well as the application of true atomic resolution for the ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
This work shows the world's first atomic force microscopy with true atomic resolution directly air (ambient condition) and liquids. We used a quartz tuning fork based sensor -the so-called qPlus sensor which can be equiped with any kind of crystal as a tip. We deal with the technike, construction, engineering and optimization, as well as the application of true atomic resolution for the investigation of graphite, graphene, potassium, calcite and molecular films. In this context, individual high-end materials, such as silicon, tungsten, platinum-iridium, tungsten carbide and sapphire are discussed and their properties and applications explained and demonstrated. During the investigation of monolayer and Bilagengraphen and graphite a self-organized stripe structure could be imaged on the two less reactive surfaces. These formation of stripes seams to happen at low reactive, graphene covered substrates in air. The optimization of the atomic resolution was demonstrated by means of a newly developed process, the so-called "Q spectroscopy", which is applicable to any tip-sample combination and gives the optimal imaging parameters for the actual tip sample configuration. The procedure is shown on potassium in great detail. The method for optimizing resolution at ambient conditions is used to show true atomic resolution in air by mapping atomic defects in the oxygen sublattices and atomic steps of the calcite crystal. Additonally to ionic crystals, the new technology is also used on graphite and graphene for experimentes involving atomic resolut and shown in this context the behavior and properties of hydrophilic silicon tips and hydrophobic, newly introduced sapphire tips and discusse there properties. Particular attention is paid to the widely differing distance spectra of different types of tips. It was discovered that the new technology for air and liquids (eg. water on Mica) is not restricted in conditions and works for highly viscous liquids too. Through the innovations in this work not only the investigation of surfaces with the highest resolution directly in air and in liquids is possible, but also the study of biological samples or chemical reactions in natural conditions. In this work, therefore a revolutionary technique for the study of individual atoms and molecules to entire living organisms is investigated in smallest dimensions.
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