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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop, ein Rastersondenmikroskop sowie ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Bestimmen einer oder mehrerer Messproben mit einem Rastersondenmikroskop.
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Hintergrund
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Die Rastersondenmikroskopie bezeichnet regelmäßig Arten der Mikroskopie, bei welchen das Bild nicht mit einer optischen oder elektronenoptischen Abbildung (Linsen) erzeugt wird wie beim Lichtmikroskop oder dem Transmissionselektronenmikroskop, sondern über die Wechselwirkung einer sogenannten Sonde oder Messsonde mit der Probe. Bei einer prominenten Ausgestaltung kann die zu untersuchende Probenoberfläche mittels der Messsonde in einem Raster- oder Scanprozess Punkt für Punkt abgetastet werden. Die sich für die einzelnen Punkt ergebenden Messwerte können dann zu einem (digitalen) Bild zusammengesetzt werden. Ist die Probe beispielsweise ein Fluid, so können durch die Messwerte gegebenenfalls auch Veränderungen dieses Fluids anzeigen. Hierfür wird die Sonde gegebenenfalls mit einer speziellen Beschichtung versehen.
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Ein Rastersondenmikroskop wird unter der Berücksichtigung möglicher Nebenbedingungen möglichst kompakt aufgebaut, um Störungen der Umgebung wie zum Beispiel Gebäudeschwingungen und Akustik nur sehr wenig in das System einzukoppeln oder ganz zu vermeiden. Aufgrund des kompakten Aufbaus ist es dann regelmäßig nicht mehr möglich, den Messaufbau mit dem Rastersondenmikroskop für ergänzende experimentelle Untersuchungen herzurichten, die zeitnah oder sogar zeitgleich zum rastersondenmikroskopischen Bestimmen der Messprobe stattfinden sollen, weil die hierfür benötigten Bauteile räumlich nicht in der notwendigen Art und Weise an die Messprobe herangeführt werden können. Als Beispiel seien hier ergänzende oder begleitende optische Methoden genannt, die möglichst nah an die Messsonde, zum Beispiel den Cantilever im Rasterkraftmikroskop, herangeführt werden sollen, um eine hohe numerische Apertur zu erhalten. Eine ergänzende optische Methode kann z. B. die Fluoreszenz- oder Ramanmikroskopie sein, eine begleitende optische Methode kann z. B. TERS (Tip Enhanced Raman Spectroscopy), s-SNOM (scattering Scanning Nearfield Optical Microscopy) oder AFM-IR (Atomic Force Microscopy based Infrared Spectroscopy) sein.
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Um dennoch eine Kombination unterschiedlicher Untersuchungsmethoden zu ermöglichen, müssen Kompromisse eingegangen werden. So kann zum Beispiel im Fall der Optik eine einfache Linse möglichst ohne Fassung verwendet werden. Auf diese Weise sind jedoch zahlreiche Aberrationen zu erwarten, die mitunter das Experiment stark einschränken. Es könnte ein Spezialaufbau vorgesehen werden, bei dem ein baulich speziell an ein bestimmtes Experiment angepasstes Rastersondenmikroskop zum Einsatz kommt. Allerdings ist dann zum Beispiel die Stabilität geringer als möglich oder andere nützliche Eigenschaften, wie zum Beispiel eine Durchlichtoptik sind nicht mehr verfügbar. Insgesamt wäre die Einsatzbreite eines solchen Rastersondenmikroskops stark eingeschränkt. Es ist somit sowohl für den Kunden als auch für den Anbieter von Rastersondenmikroskopen eine Belastung, denn der Kunde muss sich für ein Rastersondenmikroskop entscheiden, dass dann nur eingeschränkt zu nutzen ist, und der Anbieter muss verschiedene Modelle zur Auswahl anbieten.
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Bestandteile des Rastersondenmikroskops ist eine Sondenhalteeinrichtung, an welcher die Messsonde angeordnet ist, und eine Detektionseinrichtung zum Detektieren einer Wechselwirkung der Messsonde mit der Messprobe. Im Fall des Rasterkraftmikroskops ist die Sonde oder Messsonde oft ein Cantilever, dessen Verbiegung beim Kontakt mit einer Probe über einen sogenannten Lichtzeiger gemessen wird. Hierzu wird in der Regel eine Messlichtquelle, zum Beispiel ein Laser, verwendet, der auf den Cantilever als Spiegel gerichtet ist und durch eine Winkeländerung des Cantilevers abgelenkt wird. Diese Ablenkung kann mit einer Sensoreinrichtung, beispielweise einer Photodiode, nachgewiesen werden. Ein weiterer Bestandteil ist eine Scan- oder Verlagerungseinrichtung, die zum Beispiel mit Piezoelementen gebildet ist und eine hohe räumliche Auflösung des Rastersondenmikroskops erlaubt.
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Zusammenfassung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop, ein Rastersondenmikroskop sowie ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Bestimmen einer oder mehrerer Messproben mit einem Rastersondenmikroskop anzugeben, mit denen die Flexibilität für das anwendungsspezifische Untersuchen von unterschiedlichen Messproben verbessert ist.
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Zur Lösung ist eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop nach dem unabhängigen Anspruch 1 geschaffen. Weiterhin sind ein Rastersondenmikroskop nach Anspruch 12 sowie ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Bestimmen einer oder mehrerer Messproben mit einem Rastersondenmikroskop nach Anspruch 13 vorgesehen. Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Nach einem Aspekt ist eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop geschaffen. Die Messvorrichtung weist eine Messsonde sowie eine erste Sondenhalteeinrichtung auf, an welcher die Messsonde angeordnet oder gehalten ist. Eine Detektionseinrichtung weist eine Messlichtquelle auf, die eingerichtet ist, Lichtstrahlen zum rastersondenmikroskopischen Bestimmen oder Untersuchen einer Messprobe bereitzustellen. Eine Sensoreinrichtung der Detektionseinrichtung ist eingerichtet, beim rastersondenmikroskopischen Bestimmen der Messprobe auf das Einstrahlen der Lichtstrahlen auf eine der Messsonde zugeordneten Reflexionseinrichtung von dieser zurückgeworfene Messlichtstrahlen zu empfangen, wobei die Lichtstrahlen und die Messlichtstrahlen beim rastersondenmikroskopischen Bestimmen der Messprobe entlang eines jeweiligen optischen Strahlenwegs oder -gangs verlaufen. Die Messvorrichtung weist weiterhin eine Probenaufnahme, die eingerichtet ist, die Messprobe zum rastersondenmikroskopischen Bestimmen aufzunehmen. Zum jeweiligen rastersondenmikroskopischen Bestimmen der Messprobe sind eine erste und eine zweite Messanordnung ausbildbar. Bei der ersten Messanordnung ist die erste Sondenhalteeinrichtung mit der Messsonde in einem ersten Positionsabstand von der Detektionseinrichtung angeordnet. Bei der zweiten Messanordnung ist zwischen der Detektionseinrichtung und der Messsonde eine Verlängerungseinrichtung den jeweiligen optischen Strahlenweg für die Lichtstrahlen und die Messlichtstrahlen verlängernd wechselbar angeordnet, derart, dass die erste Sondenhalteeinrichtung oder eine zweite Sondenhalteeinrichtung, die von der ersten Sondenhalteeinrichtung verschieden ist, mit der Messsonde in einem zweiten Positionsabstand von der Detektionseinrichtung angeordnet ist, welcher größer ist als der erste Positionsabstand
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Weiterhin ist ein Rastersondenmikroskop mit der vorgenannten Messeinrichtung vorgesehen.
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Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Bestimmen einer oder mehrerer Messproben mit einem Rastersondenmikroskop geschaffen. Bei dem Verfahren wird ein Rastersondenmikroskop mit einer Messsonde und einer ersten Sondenhalteeinrichtung, an welcher die Messsonde angeordnet ist, bereitgestellt. Eine oder mehrere Messproben werden mittels einer ersten und einer zweiten Messanordnung des Rastersondenmikroskops rastersondenmikroskopisch bestimmt. Die erste und die zweite können also verwendet werden, um ein und dieselbe Messprobe oder unterschiedliche Messproben rastersondenmikroskopisch zu untersuchen. Bei dem rastersondenmikroskopischen Bestimmen wird jeweils Folgendes ausgeführt: Lichtstrahlen, die von einer Messlichtquelle einer Detektionseinrichtung bereitgestellt werden, werden auf eine der Messsonde zugeordnete Reflexionseinrichtung eingestrahlt; und die Messlichtstrahlen, die auf das Einstrahlen der Lichtstrahlen auf die der Messsonde zugeordneten Reflexionseinrichtung von dieser zurückgeworfen werden, werden mittels einer Sensoreinrichtung der Detektionseinrichtung empfangen. Die Lichtstrahlen und die Messlichtstrahlen verlaufen beim rastersondenmikroskopischen Bestimmen der Messprobe entlang eines jeweiligen optischen Strahlenwegs oder -gangs. Bei der ersten Messanordnung werden die Detektionseinrichtung und die Sondenhalteeinrichtung mit der Messsonde in einem ersten Positionsabstand voneinander angeordnet. Zum Ausbilden der zweiten Messanordnung wird zwischen der Detektionseinrichtung und der Messsonde eine Verlängerungseinrichtung den jeweiligen optischen Strahlenweg für die Lichtstrahlen und die Messlichtstrahlen verlängernd wechselbar angeordnet, derart, dass die erste oder eine zweite Sondenhalteeinrichtung, die von der ersten Sondenhalteeinrichtung verschieden ist, mit der Messsonde in einem zweiten Positionsabstand von der Detektionseinrichtung angeordnet wird, welcher größer ist als der erste Positionsabstand.
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Mit Hilfe des lösbaren Einbaus der Verlängerungseinrichtung zwischen der Detektionseinrichtung und der Sondenhalteeinrichtung ist es ermöglicht, mit ein und derselben Detektionseinrichtung unterschiedliche Messanordnungen bereitzustellen und so unterschiedliche Messaufgaben mit der Messvorrichtung oder dem Rastersondenmikroskop auszuführen. Mittels der Verlängerungseinrichtung wird der Positionsabstand oder Abstand zwischen der Detektionseinrichtung und der Sondenhalteeinrichtung vergrößert. Dieses ermöglicht es, wahlweise eine oder mehrere weitere Messeinrichtungen oder Bauteile solcher Messeinrichtungen an die Messprobe auf der Probenaufnahme heranzuführen, wobei dieses aufgrund der Verlängerungseinrichtung nicht durch den Positionsabstand zwischen der Detektionseinrichtung und der Sondenhalteeinrichtung behindert ist, wie dies bei der ersten Messanordnung der Fall sein kann. Vielmehr stellt die zweite Messanordnung für das Durchführen von rastersondenmikroskopischen Untersuchungen eine größere Flexibilität dahingehend bereit, dass der vergrößerte Abstand zwischen der Detektionseinrichtung und der Sondenhalteeinrichtung die Nutzung unterschiedlicher weitere Messeinrichtungen ermöglicht, zum Beispiel das Heranführen eines Objektivs für eine lichtmikroskopische Untersuchung der Messprobe auf der Probenaufnahme. Die Messprobe kann so zum Beispiel zeitgleich mit dem Rastersondenmikroskop und einer weiteren Messeinrichtung experimentell untersucht werden, zum Beispiel mit einem Lichtmikroskop.
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Die Wechselwirkung der Messsonde mit der Messprobe beim (experimentellen) rastersondenmikroskopischen Untersuchen wird mittels Detektieren der an der Reflexionseinrichtung zurückgeworfenen Messlichtstrahlen erfasst. Diese Messmethode ist als solche auch unter der Bezeichnung Lichtzeiger-Prinzip bekannt.
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Mittels der Verlängerungseinrichtung wird ein makroskopischer Positionsabstand zwischen der Detektionseinrichtung und der Sondenhalteeinrichtung ausgebildet, welcher bei der rastersondenmikroskopischen Untersuchung der Messprobe im Wesentlichen gleich bleibt, wenn die Detektionseinrichtung und die Sondenhalteeinrichtung wahlweise (gemeinsam) mit Hilfe der Verlagerungs- oder Scaneinrichtung relativ zur Messprobe auf der Probenaufnahme verlagert werden.
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Bei der Messsonde kann es sich beispielsweise um einen Cantilever für ein Rastersondenmikroskop handeln, welches dann als Rasterkraftmikroskop ausgeführt sein kann.
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Die Detektionseinrichtung kann als Messlichtquelle einen Laser aufweisen. Zum Ausbilden der Sensoreinrichtung kann die Detektionseinrichtung ein oder mehrere Fotodioden aufweisen. Zum Einstellen des Strahlenwegs oder -gangs für die Lichtstrahlen und / oder die Messlichtstrahlen können die Messlichtquelle und / oder die Sensoreinrichtung der Detektionseinrichtung innerhalb vorgegebener Gerätetoleranzen einstellbar sein.
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Die Messsonde kann an der Sondenhalteeinrichtung lösbar oder nicht lösbar angebracht sein. Die Sondenhalteeinrichtung kann beispielsweise mit einem Blockbauteil gebildet sein, an dem die Messsonde angeordnet ist, beispielsweise einem Giasblock. Die Sondenhalteeinrichtung kann eine kinematische Halterung aufweisen. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass alle Freiheitsgrade eindeutig unterbunden sind und kann z. B. dadurch realisiert werden, dass drei Kugeln in drei Nuten liegen.
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Es kann eine wechselbare Sondenhalteeinrichtung vorgesehen sein, so dass bei der ersten Messanordnung mit der ersten Sondenhalteeinrichtung und bei der zweiten Messanordnung mit der zweiten Sondenhalteeinrichtung, die eingerichtet ist, die Messsonde zu halten, und die von der ersten Sondenhalteeinrichtung verschieden ist, gearbeitet werden kann.
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Die Verlängerungseinrichtung kann ein- oder mehrstückig ausgeführt sein. Im Fall der Mehrstückigkeit können Teilstücke der Verlängerungseinrichtung einen Bausatz bilden, wodurch zum Beispiel Verlängerungseinrichtungen unterschiedlicher Länge ausbildbar sein können.
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Die Verlängerungseinrichtung kann bei der zweiten Messanordnung an der Detektionseinrichtung lösbar montiert sein. Die Verlängerungseinrichtung ist hierbei an der Detektionseinrichtung mit Hilfe eines Kopplungs- oder Verbindungsmechanismus montiert oder aufgenommen, welcher die Montage und die Demontage der Verlängerungseinrichtung an der Detektionseinrichtung ermöglicht, beispielsweise auf einer äußeren Oberfläche eines Gehäuses der Detektionseinrichtung. Alternativ kann die Verlängerungseinrichtung gegenüberliegend der Detektionseinrichtung getrennt von dieser mit Hilfe einer zugeordneten Halteeinrichtung gehalten werden. Die Halteeinrichtung ist dann zweckmäßig eingerichtet, beim rastersondenmikroskopischen Bestimmen der Messprobe die Verlängerungseinrichtung simultan mit der Detektionseinrichtung und der Sondenhalteeinrichtung mit der Messsonde zu verlagern.
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Die Verlängerungseinrichtung kann mittels einer magnetischen Kopplungs- oder Verbindungseinrichtung an der Detektionseinrichtung lösbar montiert sein. Die magnetische Kopplungseinrichtung kann mit mehreren Permanentmagneten gebildet sein, die an der Verlängerungseinrichtung einerseits und an der Detektionseinrichtung andererseits vorgesehen sein können. Die magnetische Kopplungseinrichtung kann eine horizontale Relativverschiebung zwischen Verlängerungseinrichtung und Detektionseinrichtung zulassend ausgebildet sein.
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Die Verlängerungseinrichtung kann bei der zweiten Messanordnung mit der ersten oder der zweiten Sondenhalteeinrichtung lösbar verbunden sein. Im Unterschied hierzu kann die Sondenhalteeinrichtung bei der ersten Messanordnung lösbar an der Detektionseinrichtung aufgenommen sein. Zum Ausbilden der zweiten Messanordnung kann die Sondenhalteeinrichtung von der Detektionseinrichtung gelöst oder abgenommen werden, um zwischen Detektionseinrichtung und Sondenhalteeinrichtung die Verlängerungs- oder Erweiterungseinrichtung einzubringen. Zwischen der Verlängerungseinrichtung und der Sondenhalteeinrichtung kann eine weitere magnetische Kopplungseinrichtung vorgesehen sein. Bei der zweiten Messanordnung kann also die Verlängerungseinrichtung mit der Detektionseinrichtung einerseits und der Sondenhalteeinrichtung andererseits jeweils lösbar verbunden sein, beispielsweise mit Hilfe einer jeweiligen magnetischen Kopplungseinrichtung.
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Die Verlängerungseinrichtung kann eingerichtet sein, bei der zweiten Messanordnung innerhalb eines Toleranzbereichs für eine Verstellbarkeit der Sensoreinrichtung die Messlichtstrahlen in einen Sensorflächenbereich der Sensoreinrichtung abzubilden oder einfallen zu lassen, auf welchen die Messlichtstrahlen bei der ersten Messanordnung abgebildet werden. Innerhalb des Toleranzbereichs für die Verstellbarkeit der Sensoreinrichtung, beispielsweise eine Verschiebbarkeit der Sensorfläche quer zum Lichteinfall der Messlichtstrahlen, werden die Messlichtstrahlen sowohl bei der ersten wie auch bei der zweiten Messanordnung in den gleichen Sensorflächenbereich der Sensoreinrichtung abgebildet. Die Verlängerung des jeweiligen optischen Strahlengangs für die Lichtstrahlen und die Messlichtstrahlen bei der zweiten Messanordnung erfolgt also derart, dass der Einfall der Messlichtstrahlen auf die Sensorfläche der Sensoreinrichtung innerhalb des Toleranzbereiches für die Verstellbarkeit der Sensoreinrichtung gleich bleibt. Dieses unterstützt ein Wechseln zwischen der ersten und der zweiten Messanordnung mit möglichst geringem Aufwand.
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Die Verlängerungseinrichtung kann eingerichtet sein, bei der Verlängerung des jeweiligen optischen Strahlenwegs für die Lichtstrahlen und die Messlichtstrahlen einen Schnittpunktbereich zwischen Lichtstrahlen nach dem Verlassen der Detektionseinrichtung und Messlichtstrahlen vor dem Einfallen auf die Sensoreinrichtung im Wesentlichen beizubehalten. Die Größe des Schnittpunktbereichs kann insbesondere beeinflusst und begrenzt werden durch Toleranzbereiche für die Einstell- oder Verstellbarkeit der Messlichtquelle und der Sensoreinrichtung in der Detektionseinrichtung. Die Beibehaltung weiterer Schnittpunktbereiche für die Lichtstrahlen und die Messlichtstrahlen kann vorgesehen sein.
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Die Verlängerungseinrichtung kann eingerichtet sein, eine Flächengröße eines Lichtspots, in welchen die Lichtstrahlen bei der ersten Messanordnung auf die der Messsonde zugeordnete Reflexionseinrichtung optisch abgebildet werden oder einfallen, bei der zweiten Messanordnung im Wesentlichen aufrechtzuerhalten. Innerhalb von Toleranz- und Einstellbereichen der Detektionseinrichtung sowie von optischen Elementen der Verlängerungseinrichtung kann die Flächengröße des Lichtspots im Wesentlichen aufrechterhalten werden, wobei hiervon Änderungen des Lichtspots von etwa 10 bis etwa 30% umfasst sein können, alternativ von etwa 10 bis 90%. Die Flächengröße des Lichtspots kann bei der zweiten Messanordnung größer oder kleiner sein als bei der ersten Messanordnung.
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Die Verlängerungseinrichtung kann mindestens ein optisches Bauelement aufweisen, welches in dem optischen Strahlenweg der Lichtstrahlen und / oder dem optischen Strahlenweg der Messlichtstrahlen angeordnet ist. Die optischen Bauelemente können zum Beispiel lichtreflektierende Bauelemente wie Spiegel und / oder Linsen sowie Linsenanordnungen umfassen. Das mindestens eine optische Bauelement kann in der Verlängerungseinrichtung verstellbar oder nicht einstellbar fixiert angeordnet sein.
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Die Verlängerungseinrichtung kann einstellbar sein, um den zweiten Positionsabstand zwischen der Detektionseinrichtung und der ersten oder der zweiten Sondenhalteeinrichtung zu verändern. Bei dieser Ausführungsform stellt ein und dieselbe Verlängerungseinrichtung wenigstens zwei unterschiedliche Positionsabstände zwischen der Detektionseinrichtung der Sondenhalteeinrichtung bereit, indem die Länge der Verlängerungseinrichtung verstellbar ist, beispielweise dadurch, dass Bauteile der Verlängerungseinrichtung mittels Schraub- oder Steckverbindung näher zusammengefügt oder weiter voneinander beabstandet werden können. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung einen Bausatz mit mehreren Verlängerungseinrichtungen aufweist, die jeweils eine unterschiedlichen zweiten Positionsabstand ausbildend wechselbar eingebaut werden können.
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Bei der zweiten Messanordnung kann unterhalb der Detektionseinrichtung ein sich zur Messprobe hin erstreckender Beobachtungsbereich für eine Messeinrichtung bereitgestellt sein, welcher frei von einer Kollision mit der Verlängerungseinrichtung ausgebildet ist. Zum Beispiel kann ein Beobachtungsbereich für eine optische Messeinrichtung bereitgestellt sein. Der Beobachtungsbereich für die Messeinrichtung kann frei von einer Kollision mit der Sondenhalteeinrichtung ausgebildet sein. Der Beobachtungsbereich kann beispielsweise ein (kegelförmiger) Sichtbereich eines Objektivs für eine lichtmikroskopische Untersuchung sein, zum Beispiel ein Sichtbereich eines Lichtmikroskops. Hierbei kann das Objektiv selbst in einen Bereich unterhalb der Detektionseinrichtung hineinragend angeordnet sein.
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Eine Verlagerungseinrichtung kann eingerichtet sein, zum rastersondenmikroskopischen Bestimmen die Messsonde und die Messprobe auf der Probenaufnahme relativ zueinander zu verlagern.
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In Verbindung mit dem Rastersondenmikroskop sowie dem Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Bestimmen der einen oder der mehreren Messproben mit dem Rastersondenmikroskop können die vorangehend in Verbindung mit der Messvorrichtung erläuterten Ausgestaltungen entsprechend vorgesehen sein.
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Nachfolgend werden weitere Aspekte erläutert. Es kann vorgesehen sein, dass eine lösbare Verbindung zwischen der Detektionseinrichtung und der Verlängerungseinrichtung eine Aufnahme aufweist, an der die Sondenhalteeinrichtung angebracht werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, eine andere Sondenhalterung zu implementieren, die den speziellen Aufgaben des zusätzlichen Experiments zu Gute kommt. Es können für verschiedene Experimente verschiedene lösbare Verbindungen oder Verbindungsmechanismen vorgesehen sein.
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Die lösbare Verbindung kann so gestaltet sein, dass sie die Detektionseinrichtung weiter benutzen kann. Für eine elektrische Anwendung wie eine „TuningFork“ ist unter Umständen eine Kabelverlängerung vorgesehen, die möglichst integriert ist. Für den Lichtzeiger beim Rasterkraftmikroskop ist eine Verlängerung des optischen Strahlengangs vorgesehen, der so gestaltet ist, dass sowohl das Licht auf den neu positionierten Cantilever als auch das reflektierte Licht (Messlichtstrahlen) wieder die Sensoreinrichtung trifft.
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Die lösbare Verbindung kann so gestaltet sein, dass sie sich bei höheren mechanischen Kräften zumindest teilweise von dem Rastersondenmikroskop löst. Hierzu ist zum Beispiel eine magnetische Sondenhalterung geeignet, die als kinematische Sondenhalterung ausgeführt sein kann. Der Hintergrund dieser leicht lösbaren Verbindung besteht darin, dass durch die Verlängerung des Aufbaus deutlich höhere Drehmomente bei gleicher Krafteinwirkung auftreten können oder auch der Umgang mit dem etwas unhandlicherem Rastersondenmikroskop zu einer unsachgemäßen Behandlung führt und diese zum Beispiel die empfindliche Scan- oder Verlagerungseinrichtung beschädigen könnten. So ist zum Beispiel eine Kollision beim Justieren des weiteren Experiments, wie zum Beispiel einer Optik, nicht immer vermeidbar.
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Wird die Verlängerungseinrichtung über eine leicht lösbare Verbindung fixiert, so kann auch die Sondenhalteeinrichtung selbst über eine solche, zum Beispiel magnetische, Verbindung fixiert werden. Der Vorteil wäre die Möglichkeit eines raschen Messsondenwechsels.
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Eine feste mechanische Sondenhalterung kann vorgesehen sein, in der ein Adapter fixiert wird, der selbst eine leicht lösbare Halterung zur Verfügung stellt. Hier könnten dann die lösbare Verbindung oder eine normale Sondenhalteeinrichtung leicht lösbar fixiert werden. Für spezielle Anwendungen, wie zum Beispiel sehr schnelle Bewegungen, insbesondere in lateraler Richtung, kann dann eine spezielle Sondenhalteeinrichtung in die feste Halterung eingebracht werden.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1a eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop mit einer ersten Messanordnung;
- 1b eine schematische Darstellung der Messvorrichtung aus 1a mit einer zweiten Messanordnung, bei der eine Verlängerungseinrichtung zwischen einer Detektionseinrichtung und einer Sondenhalteeinrichtung angeordnet ist;
- 2a, 2b schematische Darstellungen einer magnetischen Halterung zum lösbaren Montieren einer Sondenhalteeinrichtung oder einer Erweiterungs- oder Verlängerungseinrichtung;
- 3a eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung mit Lichtzeiger für ein Rastersondenmikroskop mit einer ersten Messanordnung;
- 3b eine schematische Darstellung der Messvorrichtung mit Lichtzeiger aus 3a mit einer zweiten Messanordnung, bei der die Verlängerungseinrichtung zwischen der Detektionseinrichtung und der Sondenhalteeinrichtung angeordnet ist;
- 4a, 4b schematische Darstellungen zur Nutzung einer Verlängerungseinrichtung bei einer Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop zum ratsersondenmikroskopischen Bestimmen einer Messprobe in Luft oder in einer Flüssigkeit und
- 5a bis 5c schematische Darstellungen zu einer Automatisierung eines Wechsels einer Messsonde.
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1a zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung eines Rastersondenmikroskops 4 mit einer ersten Messanordnung. Das Rastersondenmikroskop 4 weist Standfüße 5 auf, die in der Regel für eine Grobannäherung motorisiert sind. Die Motoren können Bestandteil der Probenhalterung 7 sein. Es ist ferner eine in dem Beispiel als Cantilever ausgeführte Messsonde 1 gezeigt, der an einer Sondenhalterung 2 (Sondenhalteeinrichtung) befestigt ist, wobei diese wiederum mittels einer Halterung oder Kopplung 3 am Rastersondenmikroskop 4 befestigt ist. Die Halterung 3 selbst ist bei dem gezeigten Beispiel fest mit dem Rastersondenmikroskop 4 verbunden.
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Es sind ferner eine Probenaufnahme oder Probenhalterung 7 und eine hierauf angeordnete Messprobe 6 gezeigt. Es handelt sich insoweit um ein kompaktes Instrument mit eingeschränkter Zugänglichkeit zur Messprobe 6.
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1b zeigt eine schematische Darstellung der Messvorrichtung des Rastersondenmikroskops 1 aus 1a mit einer zweiten Messanordnung. Zusätzlich ist ein Objektiv 20 als Beispiel für ein weiteres Experiment dargestellt, dessen größter Abstand von der Probenaufnahme 7 größer ist als der Abstand zwischen dem Rastersondenmikroskop 4 und der Probenaufnahme 7 in der 1a. Ermöglicht wird die Anordnung des Objektivs 20 durch die lösbar montierte Erweiterung oder Verlängerung 10, die mittels einer angepassten Halterung 11 an der Halterung 3 fixiert werden kann. Um weitergehende Änderungen zu vermeiden, wird die Probenaufnahme 7 mit verlängerten Aufnahmen 13 für die Standfüße 5 ausgestattet. Eine lösbare Verlängerung der Standfüße 5 wäre auch denkbar. Die Erweiterung 10 enthält ferner eine zugeordnete Halterung 12, die eine Aufnahme der Sondenhalterung 2 ermöglicht. Messsonde 1 ist in dem Beispiel ein Cantilever, es können aber auch andere Messsonden verwendet werden.
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2a und 2b zeigen schematische Darstellungen einer magnetischen Halterung zum lösbaren Montieren der Sondenhalteeinrichtung 2 oder der Erweiterungs- oder Verlängerungseinrichtung 10.
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Der Sondenhaiter 2 weist ein Bauteil 31 auf, mit dem ein leicht lösbare, zum Beispiel eine magnetische Verbindung, mit dem Bauteil 30 ausgeführt werden kann. Zu diesem Zweck enthalten in diesem Beispiel beide Bauteile 30 und 31 Magnete, die vorzugsweise als Permanentmagnete ausgeführt sind. Alternativ kann eines der Bauteile lediglich einen magnetisierbaren Stoff, wie zum Beispiel Eisen, enthalten. Das Bauteil 30 ist über die Halterung 3 mit dem Mikroskop 4 verbunden und selbst lösbar von diesem. Über einen identischen Halter 31 kann auch die lösbare Erweiterung an 30 angekoppelt werden. In 2b ist noch gezeigt, dass in einer möglichen Ausführung des Rastersondenmikroskops auch der Halter 30 direkt in das Mikroskop 4 integriert sein kann, wodurch für den Nutzer nur leicht lösbare Verbindungen möglich wären.
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In 3a wird zunächst die Detektionseinrichtung in einer Ausführung als Lichtzeiger gezeigt, die Bestandteil des Rastersondenmikroskops 4 ist. Sie enthält im wesentlichen einen Lichtquelle 41, zum Beispiel einen Laser mit Fokussiereinheit, deren ausgesandter Lichtstrahl 50 vom Cantilever 1 am Punkt 52 reflektiert wird und als abgelenkter Lichtstrahl 51 auf eine Photodiode 42 trifft, die zum Beispiel als 4-Quadrantendiode ausgeführt ist, um eine Abweichung des Lichtstrahls in lateraler Richtung zu detektieren. Wird der Cantilever 1 in 3b nun an einen anderen Ort versetzt besteht die Aufgabe in der lösbaren Erweiterung darin, den Lichtstrahl 51 zu verwenden und nach einer Reflektion am Cantilever 4 den Lichtstrahl so zu lenken, dass er auf dem Rückweg nahe des Strahlverlaufs 51 oder genau auf ihm verläuft, damit die Photodiode ungehindert getroffen wird. Für den Messkopf 4 ist es auf diese Weise kein Unterschied, wo sich der Cantilever befindet. Im realen Gerät ist der Strahlverlauf 51 meist noch komplizierter und kann auch noch optische Bauelemente enthalten. Im optimalen Fall kommt der Lichtstrahl daher auf dem Rückweg nahe am Punkt 52 vorbei.
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Konkret wird es im gezeigten Ausführungsbeispiel so durchgeführt, dass der Laser 51, der in der Regel auf den Cantilever 1 in 1a fokussiert ist, bis zu einem optischen System 43, zum Beispiel einem Linsensystem, geführt wird, dass eine erneute Fokussierung auf den Cantilever 1 vornimmt. Ohne das Linsensystem wäre der Lichtstrahl viel größer als der Cantilever und es würde eine zu geringe Leistung reflektiert. Der Strahl 53 wird dann vom Cantilever 1 abgelenkt und der abgelenkte Strahl 54 wird mittels eines Spiegels 44 abgelenkt und bildet den Strahl 55, der parallel oder nahezu parallel zum Strahl 51 und in keinem oder nur einem geringen Abstand hierzu verläuft. Es kann vorgesehen sein, dass der Winkel und ggf. auch der Ort des Spiegels eingestellt werden kann, um Überlappung noch zu optimieren. Es kann weiterhin vorgesehen sein, ein weiteres optisches System 45 vorzusehen, dass dafür sorgt, dass der Lichtstrahl nach der Fokussierung nicht zu weit aufgeht und auf diese Weise nicht vollständig die Photodiode trifft. Das weitere optische System kann abweichend von der Zeichnung auch zwischen dem Spiegel 44 und der Sonde 1 oder als aufgeteiltes System Baugruppen an beiden Orten haben. Wahlweise kann der Spiegel neben einer Reflexion z. B. durch eine geeignete Krümmung auch selbst das weitere optische System darstellen.
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In 4 wird eine mögliche Anwendung der Vorrichtung gezeigt, bei der das weitere Experiment eine optische Methode 20, 21 wie zum Beispiel Fluoreszenzmikroskopie oder Ramanmikroskopie ist. In dieser Konfiguration ist der Cantileverhalter 8 optimalerweise so gestaltet, dass der Strahlengang 21 vom Objektiv 20 ungehindert vom Cantileverhalter 8 auf die Probe 6 treffen kann. Dieses Experiment kann an Luft, 4a, sowie in einem Fluid, 4b, durchgeführt werden. Für eine Anwendung in einem Fluid wird lediglich eine Flüssigkeitskammer benötigt, die vorzugsweise auf der Seite der Optik senkrecht zum Strahlverlauf 21 ausgeformt ist. Auf diese Weise kann das Objektiv 20 näher an die Probe rücken. Zudem wird der optische Strahlengang 21 durch eine parallele Platte senkrecht zur Strahlrichtung weniger beeinflusst, als durch einen schräg stehende Platte oder gar einer gekrümmten Platte, wie bei einer Petrischale. In beiden Fällen muss gewährleistet werden, dass die Strahlen 21 und 54 sich nicht überlappen. Es ist zu beachten, dass beim Strahl 54 nur der Zentralstrahl eingezeichnet ist, allerdings beträgt der Öffnungswinkel des Strahls nur wenige Grad. Für eine genaue Berechnung einer geometrischen Anordnung ist er vorzugsweise mit einzuberechnen. Der Winkel zwischen 53 und 54 kann noch verringert werden, allerdings muss gewährleistet werden, dass der Cantilever noch gut gehaltert werden kann und insbesondere muss der Strahl 54 vollständig an der Optik 43 vorbeigeführt werden.
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In 5 wird gezeigt, wie die leicht lösbare Verbindung für eine Automatisierung des Sondenwechsels genutzt werden kann. In der Regel sind die Sonden 1, zum Beispiel die Cantilever, sehr klein, beispielsweise einige mm. Es müssten nun diese kleinen Sonden gehaltert und am Sondenhalter 2 befestigt werden. Die Lösung der festen Verbindung 3, wie sie zum Beispiel in 1 dargestellt wurde, müsste ebenfalls bewerkstelligt werden. Es wäre demnach eine relativ aufwändige Apparatur notwendig. Eine Erweiterung der erfinderischen leicht lösbaren Halterung 30, 31 erlaubt einen Austausch des gesamten Sondenhalters 2 mit vormontierten Sonden. Hierzu werden auf einer Unterlage 70 Löcher 72 vorgesehen, die mit einem Absatz 71 versehen sind. Der Querschnitt des Absatzes 71 soll hier nur geringfügig größer sein, als die des Sondenhalters 2. Auf diese Weise können in mehrere Absätze 71 gleichartige oder auch unterschiedliche Sonden, gesetzt werden. Eine kreisförmige Ausformung der Absätze und des Cantileverhalters wäre sicher am einfachsten, allerdings erlaubt dies das geplante Experiment nicht immer. Das Loch 72 verhindert hierbei, dass die Sonde aufsetzt.
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Das Absetzen eines Sondenhalters 2 kann wie in 5a bis 5c gezeigt vonstatten gehen. In 5a wird der Messkopf 4 mit der Halterung 30 gezeigt, die in diesem Ausführungsbeispiel mit den Magneten 32 ausgestattet ist. Die Gegenseite 31 ist in diesem Beispiel ebenfalls mit Magneten 32 ausgestattet. Die Anziehungskraft wird durch den Abstand der Magneten und deren Größe und Magnetstärke sinnvoll eingestellt. In der 5a ist der Sondenhalter 2 am Messkopf 4 über die Kräfte zwischen 30, 31 fixiert. In der 5b wird der Messkopf mit einer geeigneten lateralen Verschiebung, wie zum Beispiel einer motorisierten Verlagerungseinrichtung etwas in lateraler Richtung 80 verschoben. Die Sondenhalterung kann sich nicht mitbewegen, da sie von dem Absatz 71 festgehalten wird. Auf diese Weise liegen die Magnete 32 der Halterungen 30 und 31 am Ende der Bewegung 80 nicht mehr übereinander und demnach wirkt auch keine oder nur noch eine sehr geringe Kraft. Hierdurch wird es möglich, wie in 5c gezeigt, durch eine vertikale Bewegung 81, zum Beispiel mittels der motorisierten Standfüße 5 aus 1, den Messkopf 4 nach oben zu bewegen und dabei die Sondenhalterung in der Aufnahme 71, 72 zurück zu lassen. Der Messkopf 4 kann dann zu einer anderen Sondenhalterung bewegt werden und diese durch Absenken aufnehmen. Hierbei müssen dann wieder die Magnete 32 der Halterungen 30, 31 übereinander liegen.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
