VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR UNTERSUCHUNG BIOLOGISCHER SYSTEME SOWIE FESTKÖRPERSYSTEME
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen und Verfahren zur Untersuchung biologischer Systeme sowie Festkörpersysteme, und insbesondere solche, die rastersondenmikroskopische, speziell kraftmikroskopische oder kraftspektroskopische Untersuchungen ermöglichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Biologische Systeme und darin ablaufende Prozesse beruhen auf molekularen Wechselwirkungen. Molekulare Kräfte in biologischen Systemen unterscheiden sich von anderen Molekularsystemen, insbesondere hinsichtlich chemischer Reaktionen und physikalischer Änderungen eines Gesamtsystems. Aussagen über molekulare Wechselwirkungen in biologischen Systemen stellen aber die Voraussetzung dar, um derartige Systeme zu analysieren und weiterführende Aussagen machen zu können.
Zur Messung molekularer Wechselwirkungen in biologischen Systemen werden unter anderem rastersondenmikroskopische Ansätze verwendet, um Oberflächentopografien mit hoher lateraler und vertikaler Auflösung zu bestimmen. Unter lateraler Auflösung ist hierbei die Auflösung in einer Ebene einer zu untersuchenden Oberfläche eines biologischen Systems zu verstehen, während die Auflösung senkrecht zu dieser Ebene als vertikale Auflösung bezeichnet wird.
Beispiele für rastersondenmikroskopische Ansätze umfassen kraftmikroskopische Ansätze, wie zum Beispiel die Rasterkraftmikroskopie (SFM, engl.: scanning force microscopy) oder Kraftspektroskopie (oder AFM, engl. : atomic force microscopy).
Mit kraftmikroskopischen Ansätzen können neben der Topologie einer Oberfläche einer biologischen Probe auch deren Elastizität oder dort wirkende Adhäsionskräfte erfasst werden. Die atomare Kraftmikroskopie, in diesem Falle üblicherweise als "Kraftspektroskopie"
bezeichnet, ermittelt molekulare Kräfte einer Probe mittels einer Sonde, mit der die Probe abgetastet wird, um z.B. Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen quantitativ zu charakterisieren. Üblicherweise umfasst die Sonde eine an einem freitragenden Ausleger oder Messbalken, der auch als Cantilever bezeichnet wird, befestigte Spitze. Zur Untersuchung der Probe wird z.B. die Sonde über die Oberfläche der Probe gerastert, wobei die lateralen und vertikalen Positionen und/oder Auslenkungen der Sonde aufgezeichnet werden. Bewegungen der Sonde relativ zu der Probe sind aufgrund der elastischen Eigenschaften der Sonde und insbesondere des Cantilever möglich. Auf der Grundlage erfasster lateraler und vertikaler Positionen und/oder Auslenkungen der Probe werden molekulare Kräfte seitens der Probe und daraus deren Oberflächentopografie ermittelt.
Üblicherweise werden Bewegungen der Probe mittels optischer Messeinrichtungen ermittelt, die Auflösungen im Bereich von 0,1 nm haben und eine Detektion von Kräften von einigen pN ermöglichen.
Um die Oberflächentopografie oder anderer Eigenschaften einer biologischen Probe zu ermitteln, werden die Oberflächen der Probe und die Sonde eines Rasterkraftmikroskops derart miteinander in Kontakt gebracht, dass eine zwischen diesen wirkende Kraft auf einen vorbestimmten Wert (z.B. 50 - 100 pN) festgelegt wird. Danach werden die Probe und die Sonde relativ zu einander lateral so bewegt, dass eine gerasterte Abtastung der Oberflächenprobe durch die Sonde erfolgt. Dabei werden die Probe und/oder die Sonde auch vertikal bewegt, um die zwischen wirkende Kraft auf dem vorgegebenen Wert zu halten. Bewegungen der Probe und der Sonde relativ zu einander können durch eine entsprechende Anordnung, die beispielsweise eine Piezokeramik umfasst, bewirkt werden.
Die hohe Orts- und/oder Kraftauflösung haben eine hohe Empfindlichkeit der beteiligten Apparaturen gegenüber äußeren Einflüssen zur Folge. Beispielsweise können thermische Effekte zu einem „Verbiegen" des Cantilevers führen. Da die Auslenkung des Cantilevers typischerweise mittels eines Messstrahls (bspw. Laserstrahls) erfolgt, führt das Verbiegen des Cantilevers, bspw. durch thermische Effekte oder OberflächenefFekte, zu einer entsprechenden Veränderung der gemessenen Auslenkung. Thermische Effekte können auch zu einer Veränderung des Abstandes zwischen Sonde und Probe führen, wodurch bspw. die Kraft, die zwischen Sonde und Probe wirkt, beeinflusst werden kann. Thermisch bedingte Änderungen sind typischerweise langsam, d.h. sie erstrecken sich über einen längeren
Zeitraum. Daher nennt man diese Änderungen auch „Drift". Solchen Driften liegen auch noch andere Ursachen zugrunde, wie bspw. thermisch bedingte Größenänderungen von Stellelementen, Probenträgern, der Probe selbst oder sonstigen Halterungs- oder Befestigungselementen. Piezokeramiken, wie sie bspw. in den Piezoaktuatoren zum Einsatz kommen, weisen zusätzlich gewisse Hystereseeigenschaften und/oder Kriecheigenschaften auf, die ebenfalls zu einer Größenveränderung fuhren können, die wiederum bspw. den Abstand zwischen Sonde und Probe verändern können.
Im Bereich der abbildenden Kraftmikroskopie aber auch in der Kraftspektroskopie ist es bisher üblich, diese Drift im Strahlengang manuell zu kompensieren. Dabei beobachtet der Benutzer den Wert des Positionsdetektors, wenn der Cantilever nicht mit der Probe in Kontakt ist und korrigiert durch manuelles Justieren mechanischer Stellelemente am Instrument den Strahlengang so, dass sich der Messlaser wieder an dem gewünschten Ort auf dem Positionsdetektor befindet.
In US-A-5 077 473 ist ein Verfahren zur Kompensation einer Drift in x- und/oder y-Richtung einer Positionierungsvorrichtung für eine Probe gezeigt. Die Positionierungseinrichtung wird mittels eines Piezoaktuators betrieben und ist einer Drift in x- und/oder y-Richtung unterworfen. Diese Drift wird kompensiert, indem einem Steuersignal für die Positionierungseinheit ein weiteres Steuersignal hinzugefügt wird, welches die Drift in x- und/oder y-Richtung kompensiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung für die Kraftmikroskopie sowie Kraftspektroskopie bereitzustellen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Durchführung einer rastersondenmikroskopischen, bspw. kraftmikroskopischen, oder kraftspektroskopischen Messung bei vorgegebenen Parametern die Schritte: Ermitteln einer Wertveränderung von wenigstens einem der Parameter; und Steuern eines Stellgliedes in Abhängigkeit der ermittelten Wertveränderung, sodass die Veränderung des Wertes wenigstens teilweise kompensiert wird.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur
Rastersondenmikroskopie, z.B. Kraftmikroskopie, oder zur Kraftspektroskopie: eine
Messeinrichtung, die eine Sonde für rastersondenmikroskopische oder kraftspektroskopische Messungen und einen Probenträger zur Anordnung einer zu vermessenden Probe umfasst; einen Positionsdetektor, der die Position eines Messstrahls erfasst, der von der Sonde reflektiert wird; ein Stellelement, welches eingerichtet ist, den Probenträger zu bewegen; ein
Stellglied; und eine Steuerung, die das Stellglied in Abhängigkeit einer ermittelten
Wertveränderung der Positionsdaten derart steuert, dass die Veränderung des Wertes wenigstens teilweise kompensiert wird.
Weitere Aspekte und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen und den beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nun schematisch und unter Bezugnahme auf die angefugten Zeichnungen beschrieben, in der: Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Ausfuhrungsbeispiel einer Vorrichtung zur
Kompensation einer Drift eines Messstrahls veranschaulicht;
Fig. 2 einen beispielhaften Kraftkurvenverlauf an einem erfindungsgemäßen Ausfuhrungsbeispiel veranschaulicht;
Fig. 3 die Auswirkung einer Drift zwischen Sonde und Probe an einem Kraftkurvenverlauf veranschaulicht, durch die der Abstand zwischen Sonde und Probe verringert wird;
Fig. 4 die Auswirkung einer Drift zwischen Sonde und Probe an einem Kraftkurvenverlauf veranschaulicht, durch die der Abstand zwischen Sonde und Probe vergrößert wird; Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Ausfuhrungsbeispiel einer Einrichtung zur
Kompensation der in Fig. 3 bzw. Fig. 4 gezeigten Drift veranschaulicht.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Fig. 1 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Kompensation einer Drift eines Messstrahls gemäß einem ersten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Vor einer detaillierten Beschreibung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung folgen zunächst einige allgemeine Erläuterungen zu den Ausfuhrungsbeispielen.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen umfasst bspw. eine Messeinrichtung eine Sonde für rastersondenmikroskopische oder kraftspektroskopische Messungen und einen Probenträger zur Anordnung einer Probe, die vermessen werden soll. Bei rastersondenmikroskopische oder kraftspektroskopische Messungen wird in einem bestimmten Raster mittels einer Sonde eine Probe abgetastet. Dabei kann entweder die Sonde in wohldefinierten Schritten über die Probe bewegt werden, oder die Sonde ist ortsfest und die Probe wird, bspw. mittels eines Probenträgers mit Positionierungseinheit bewegt. Bei manchen Ausfuhrungsbeispielen werden sowohl die Sonde als auch der Probenträger positioniert. Auslenkungen der Sonde (bzw. beispielsweise gemessene Tunnelströme, je nach Mikroskopierverfahren) werden mittels bildgebender Verfahren in ein sichtbares, vergrößertes Bild der Probe umgesetzt. In den Ausführungsbeispielen bei denen die zu untersuchende Probe bewegt wird, ist die Probe bspw. auf einem Probenträger angeordnet, der mittels einer Positionierungseinheit (Stellelement) in x-, y-, z-Richtung bewegt wird. Diese Anordnung wird auch Scanner genannt. Der Scanner umfasst in den Ausführungsbeispielen Aktuatoren, wie beispielsweise Piezoaktuatoren, die geeignet sind die notwendigen Bewegungen im Nanonmeterbereich auszuführen.
In den Ausführungsbeispielen werden teilweise Parameter vorgegeben, um rastersondenmikroskopische oder kraftspektroskopische Messungen durchzuführen. Solche Parameter umfassen bspw. Position, Kraft, Abstand, Auslenkung, oder ähnliche bei oben genannten Messungen zu beachtende Größen. Beispielsweise umfassen die Parameter, einen Abstand zwischen einer Probe oder einer Sonde. Weiterhin umfassen solche Parameter z.B. die Position eines Messstrahls bspw. auf einem Positionsdetektor, bzw. den Strahlengang eines Messstrahls. In manchen Ausführungsbeispielen umfassen Parameter z.B. die Auslenkung eines Stellelementes für den Probenträger. Die Werte dieser Parameter unterliegen in manchen Ausführungsbeispielen einer Veränderung, die bspw. durch thermische Effekte, Oberflächeneffekte, Fließ- und/oder Kriecheffekte hervorgerufen werden können. Solche Effekte führen bspw. dazu, dass sich Materialien verändern, und zwar in der
Form, der Größe (Länge, Breite, Höhe), oder auch in sonstigen Eigenschaften (piezoelektrische, thermische, Phasen (fest, flüssig, gasförmig), etc.).
In manchen Ausführungsbeispielen werden solche Wertveränderungen bspw. von wenigstens einem Parameter ermittelt und wenigstens teilweise ausgeglichen bzw. wenigstens teilweise kompensiert, indem entsprechend ein Stellglied (bspw. mittels einer Steuerung) in Abhängigkeit der ermittelten Wertveränderung so gesteuert wird, dass die Veränderung des Wertes wenigstens teilweise kompensiert wird, d.h. ihr wenigstens teilweise entgegengewirkt wird.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen erfolgt die Kompensation einer Wertveränderung automatisch gesteuert, bspw. durch eine vollautomatische Steuerung der Vorrichtung, die eingerichtet ist, Messungen und Wertveränderungskompensationen (wie sie bspw. noch weiter unten näher erläutert werden) automatisch durchzufuhren.
Driften, wie sie oben beschrieben wurden, haben eine Veränderung eines Wertes (oder auch eines Messwertes) zur Folge. Beispielsweise, wird durch eine Verbiegung eines Cantilevers die Position des Messstrahls auf dem Positionsdetektor verändert. Hierbei liegt demnach eine Veränderung des Positionswertes des Messstrahls vor. Wie weiter oben ausgeführt, umfasst die Sonde in manchen Ausfuhrungsbeispielen einen solchen freitragenden Messbalken, der auch als Ausleger oder Cantilever bezeichnet wird. Die Auslenkungen der Sonde (bzw. des Cantilevers) werden in manchen Ausfuhrungsbeispielen mittels eines Messstrahls, der beispielsweise einen Laserstrahl umfasst, auf einen Detektor abgebildet. Dieser Detektor ist in manchen Ausfuhrungsbeispielen ein Positionsdetektor, der die Position des auf ihn auftreffenden Messstrahls - und damit auch die Auslenkung des Cantilevers - misst. Durch Störeinflüsse, wie bspw. thermische Effekte und Oberflächeneffekte, kann es zu einer Verbiegung des (freien) Cantilevers (oder anderer den Strahlengang beeinflussenden Elemente, wie bspw. Linsen, Spiegel, Detektoren) kommen. Dies führt zu einer Verschiebung der Position des Messstrahls auf dem Positionsdetektor. Um eine korrekte Kraftkurvenaufhahme durchzuführen sollten möglichst der Positionsdetektor und der Messstrahl des freien Cantilevers richtig zu einander positioniert sein. Wird diese Verschiebung nicht ausgeglichen, so kann es passieren, dass das eigentliche Messsignal nicht mehr oder nur mit unzureichender Linearität aufgenommen werden kann. Daher wird in
manchen Ausfuhrungsbeispielen (wie oben erwähnt), so eine Wertveränderung, wie hier die Verschiebung des Messstrahls, wenigstens teilweise ausgeglichen bzw. kompensiert.
Dazu wird in manchen Ausfuhrungsbeispielen ein Stellglied in Abhängigkeit der ermittelten Positionsveränderung gesteuert, sodass die Positionsänderung wenigstens teilweise kompensiert wird. In manchen Ausfuhrungsbeispielen wird beispielsweise vor Beginn eines Messvorganges der Messstrahl auf eine bestimmte Stelle des Positionsdetektors, bspw. zentral, ausgerichtet.
Das Stellglied umfasst in manchen Ausfuhrungsbeispielen bspw. ein Strahlelement welches eingerichtet ist, den Strahlengang des Messstrahls zu beeinflussen. Dieses Strahlelement ist dazu in manchen Ausfuhrungsbeispielen zwischen dem Positionsdetektor und dem Cantilever angeordnet, sodass der Strahlengang des reflektierten Messstrahls durch das Strahlelement beeinflusst wird.
In anderen Ausfuhrungsbeispielen umfasst das Stellglied eine Einrichtung, die ausgebildet ist den Positionsdetektor bezüglich des Messstrahls zu bewegen.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen wird bei der Ermittlung der Position des Messstrahls ein Signal des Positionsdetektors ausgewertet, um daraus ein entsprechendes Steuersignal zu erzeugen, mit dem das Stellelement gesteuert werden kann.
Weiterhin kann eine Drift, bspw. der ganzen Messvorrichtung oder Teilen davon, in manchen Ausfuhrungsbeispielen dazu fuhren, dass der Abstand zwischen Sonde und Probe variiert. Solche Abstandsvariationen können durch das Verbiegen der Sonde (bzw. des Cantilevers) aufgrund thermischer Effekte oder Oberflächeneffekte auftreten, aber auch andere Ursachen haben, die bspw. darin begründet sind, dass sich Teile des Kraftmikroskops so verbiegen, dass dadurch der Abstand zwischen Sonde (bzw. Messspitze an der Sonde) und Probe verändert wird. Weiterhin ist es möglich, dass sich das Stellelement (bspw. ein Piezoaktuator) in der Größe verändert. Solche Veränderung beruhen z.B. auf Hystereseeffekten und/oder auf Kriecheffekten einer Piezokeramik.
Der Abstand zwischen Sonde und Probe, der einer zwischen Sonde und Probe herrschenden Kraft entspricht, wird typischerweise mittels eines Stellelements eingestellt, das den Abstand
zwischen Sonde und Probe genau definiert. Dieses Stellelement befindet sich in manchen Ausfuhrungsbeispielen unterhalb des Probenträgers und umfasst bspw. ein Piezostellelement. Mithilfe des Stellelementes kann nun der Abstand zwischen Probe und Sonde genau gesteuert werden. Die Drift, d.h. bspw. die Änderung des Abstandes zwischen der Sonde und der Probe, kann allerdings so groß werden, dass der Stellbereich des Stellelementes nicht mehr ausreicht, um bspw. eine Kraftkurve aufzunehmen, da der Abstand zwischen Sonde und Probe zu groß bzw. zu klein geworden ist. Daher wird in manchen Ausführungsbeispielen (wie oben beschrieben) so eine Wertveränderung ausgeglichen bzw. kompensiert.
Dazu wird in manchen Ausführungsbeispielen die Wertveränderung ermittelt, bzw. analysiert. Weiterhin wird in manchen Ausführungsbeispielen ein Stellglied so gesteuert, dass sich der Abstand in Abhängigkeit der Analyse der Wertveränderung verändert. Dadurch ist es möglich die (bspw. thermisch bedingte oder durch sonstige Effekte hervorgerufene) Abstandsänderung zu kompensieren, d.h. ihr entgegenzuwirken.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Stellglied bspw. einen Stellmotor und eine Verbindung zwischen Stellmotor und Probenträger, bzw. einem Stellelement, welches den Probenträger in eine, zwei oder drei Raumrichtungen bewegt, um eine Probe entsprechend zu untersuchen und bspw. Kraftkurven aufzunehmen. Das Stellglied befindet sich je nach Ausführungsbeispiel an einer anderen Stelle. Z.B. ist das Stellglied in manchen Ausführungsbeispielen unterhalb eines Probenträgers angeordnet. In manchen Ausführungsbeispielen befindet sich das Stellglied zwischen dem Probenträger und dem Stellelement, welches den Probenträger und damit die Position der Probe einstellt. In anderen wiederum befindet sich das Stellglied unterhalb des Stellelements. In wieder anderen Ausführungsbeispielen wird die Sonde durch das Stellelement bewegt.
In manchen Ausführungsbeispielen wird ermittelt, ob die Kraft, die zwischen Sonde und Probe wirkt, einen bestimmten Wert erreicht. Beispielsweise wird ermittelt, ob der Kraftwert einem (vorgegebenen) Maximalwert entspricht. Solche starken Kräfte treten beispielsweise dann auf, wenn die thermisch bedingte Drift zwischen Sonde und Probe dazugeführt haben, dass der Stellbereich des Stellelements des Probenträgers erschöpft ist, sodass das Stellelement den Abstand zwischen Sonde und Probe nicht mehr vergrößern kann. Andererseits kann ebenfalls ermittelt werden, ob der Kraftwert einen gewissen Minimalwert
unterschreitet, d.h., ob beispielweise der Kontakt zwischen Sonde und Probe verlorengegangen ist.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen führt die Analyse der Kraft dazu, dass wenigstens ein Teil eines Kraftkurvenverlaufes analysiert wird. Eine Analyse umfasst in manchen Ausfuhrungsbeispielen auch, dass ein Zusammenhang zwischen ermittelter Kraft und der Stellung des (Piezo)- Stellelementes hergestellt wird. Dieser Zusammenhang umfasst beispielsweise die Zuordnung eines Kraftwertes zu einem zugehörigen (Höhen)- Stellwert des Stellelements. Durch die Höhenverstellung (z.B. Auslenkung in z-Richtung) des Stellelements wird der Abstand zwischen Sonde und Probe beeinflusst, womit die Höhenverstellung einen direkten Einfluss auf den Kraftwert hat. Wie oben ausgeführt, kann sich das Stellelement nur in einem begrenzten Bereich verstellen. Durch eine Drift im System, kann sich nun der Abstand so vergrößern bzw. verkleinern, dass das Stellelement aufgrund seines eingeschränkten Stellweges nicht mehr in der Lage ist den Abstand so zu verkleinern bzw. vergrößern, dass eine Kraft zwischen der Sonde und der Probe wirkt bzw. die Kraft auf einen (zulässigen) Wert verringert wird.
Eine Analyse eines sog. Kraftkurvenverlaufes, d.h. eine Analyse von Kraftwerten und zugehörigen Auslenkungswerten des Stellelements liefert in manchen Ausführungsbeispielen wenigstens einen von vier Punkten, nämlich einen Offsetpunkt, Kontaktpunkt, Triggerpunkt und/oder VR-Punkt. Der Offsetpunkt ist der Punkt an dem die Aufnahme der Kraftkurve beginnt, d.h. der Offsetpunkt ist bspw. der erste Punkt der Kraftkurve. Der Kontaktpunkt ist der Punkt, an dem das Stellelement soweit verstellt ist, dass es zu einem Kontakt zwischen Sonde und Probe kommt. Dieser Punkt wird bspw. dadurch bestimmt, dass die ermittelte Kraft zu dem zugehörigen Auslenkungswert des Stellelements gegenüber einer vorherigen Messung ansteigt. Der Triggerpunkt ist der Punkt, an dem die Kraft einen (vorgegebenen) Wert übersteigt, sodass dieser Punkt auch als Endpunkt der Kraftkurve betrachtet werden kann, d.h. an diesem Punkt die Messung für diese Kraftkurve beendet wird. Der VR-Punkt (Volle Rampe) beschreibt den größten Wert für die Auslenkung des Stellelements, die ein Benutzer für eine Kraftkurve definiert hat. Dieser Wert wird bspw. erreicht, wenn die Kraftkurve ohne Aktivierung eines Triggermodus ausgeführt wird, oder wenn ein Trigger nicht erreicht wurde.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Analyse der Kraftkurve den Abgleich zwischen einem Auslenkungswert des Stellelements und einem vorgegebenen Wertebereich. Der vorgegebene Wertebereich umfasst bspw. zwei Werteintervalle. Ein erstes Intervall, das als unterer Sicherheitsbereich betrachtet wird und ein zweites Werteintervall, das als oberer Sicherheitsbereich dient. Der untere Sicherheitsbereich umfasst bspw. einen minimalen Auslenkungswert, den das Stellelement einstellen kann und der obere Sicherheitsbereich dementsprechend einen maximalen Auslenkungswert des Stellelements. Der Sicherheitsbereich kann nun -je nach Ausfuhrungsbeispiel - beliebig ausgedehnt werden.
In manchen Ausführungsbeispielen wird ermittelt, ob sich ein Punkt der Kraftkurve in dem Wertebereich, d.h. bspw. im unteren oder oberen Sicherheitsbereich befindet. Beispielsweise wird ermittelt, ob der Offsetpunkt in dem unteren Sicherheitsbereich liegt, der Triggerpunkt oder der VR-Punkt in dem oberen Sicherheitsbereich oder, ob der Kontaktpunkt weder in dem unteren noch dem oberen Sicherheitsbereich ist. In manchen Ausfuhrungsbeispielen hingegen wird ermittelt, ob sich alle Punkte der Kraftkurve außerhalb des Wertebereiches befinden, während in wieder anderen beliebige Vorgaben bezüglich der Punktezuordnung zu einem Wertebereich möglich sind.
In manchen Ausführungsbeispielen wird die Kompensation von Wertveränderung automatisch während und/oder vor einer Messung durchgeführt, um möglichst lange Messungen zu ermöglichen. Dazu wird in manchen Ausführungsbeispielen vor und/oder während einer Messung (bspw. Messung einer Kraftkurve), wie oben beschrieben, automatisch die Drift eines Messstrahls kompensiert, d.h. der Messstrahl wird bspw. automatisch auf dem Positionsdetektor zentriert. Weiterhin wird in manchen Ausführungsbeispielen ebenso vor und/oder während der Messung (bspw. der Aufnahme einer Kraftkurve), automatisch die Drift zwischen Sonde und Probe ausgeglichen. Zum Beispiel wird der Abstand zwischen Sonde und Probe mittels des Stellgliedes so eingestellt, dass eine Kraftkurvenaufhahme immer möglich ist, trotz driftbedingter Abstandsänderung zwischen Sonde und Probe. Dadurch wird ein automatisches Messsverfahren auch über längere Zeiträume hinweg ermöglicht. In manchen Ausführungsbeispielen werden auch automatische Messungen ermöglicht, bei welchem eine Drift, d.h. bspw. eine Werteveränderung des Abstandes zwischen Sonde und Probe, über den Einstellbereich eines Stellelementes für den Probenträger bzw. eines Stell elementes für die Sonde hinausgeht.
Zurückkehrend zu Fig. 1, zeigt diese eine schematische Ansicht eines Ausflihrungsbeispiels einer Vorrichtung zur Rastersondenmikroskopie und/oder zur Kraftspektroskopie. Dabei sind nur die für die Erläuterung der Erfindung relevanten Bestandteile dargestellt. Die Auslenkung eines Cantilevers 4, der an einer Cantilever-Halterung 5 befestigt ist, gegenüber einer zu vermessenden Probe wird mithilfe eines Messstrahls 2 gemessen. Der Messstrahl 2 umfasst bspw. einen Laserstrahl, oder ein anderes Strahlbündel elektromagnetischer Wellen. Der Messstrahl 2 wird (bspw. in Fig. 1 von rechts von einer nicht dargestellten Messstrahlquelle kommend) an einer reflektierenden Stelle des Cantilevers 4 abgelenkt. Danach durchläuft der Messstrahl 2 ein Strahlelement 3, welches den Strahlengang des Messstrahles 2 beeinflussen kann. Das Strahlelement 3 umfasst bspw. einen Spiegel und/oder eine Linse oder ein anderes Element, welches geeignet ist den Strahlengang des Messstrahles 2 zu verändern beeinflussen. Der Messstrahl 2 trifft in diesem Ausfuhrungsbeispiel, nachdem er das Strahlelement 3 passiert hat, auf einen Positionsdetektor 1. Der Positionsdetektor 1 erfasst die Position des auf ihn auftreffenden Messstrahles 2.
An dem Cantilever 4 befindet sich eine Sondenspitze 6, die relativ zur Probe bewegt wird, die sich auf einem Probenträger 7 befindet. Der Probenträger 7 mit der Probe wiederum, wird mittels eines Stellelementes 8, bspw. eines Piezeostellelementes, in 3 aufeinander senkrecht stehende Raumrichtungen bewegt (x-, y- und z-Richtung). Ebenso wird bei einer Aufnahme einer Kraftkurve bei kraftspektroskopischen Untersuchungen einer biologischen Probe in manchen Ausfuhrungsbeispielen eine Bewegung in nur einer Raumrichtung (bspw. in z- Richtung oder senkrecht zum Probenträger 7) ermöglicht. In der Fig. 1 liegt die z-Richtung bspw. vertikal in der Zeichenebene. Um nun eine Probe zu untersuchen, wird die Probe mit dem Probenträger 7 mittels des Stellelements 8 in z-Richtung nach oben verschoben, bis ein Kontakt zwischen Sondenspitze 6 und Probe hergestellt ist. Durch eine atomare Wechselwirkung bzw. Kraft, die zwischen Probe und Sondenspitze 6 wirkt, verbiegt sich der Cantilever 4, was wiederum eine Ablenkung des Messstrahls 2 zur Folge hat. Durch Verschieben des Probenträgers 7 mit der Probe in x- und y-Richtung kann auf diese Art und Weise eine Oberflächentopographie der Probe gewonnen werden. Weiterhin ist es in der kraftspektroskopischen Messung möglich, bspw. mittels der bekannten Federkonstante des Cantilevers 4, eine Kraft, die zwischen Probe und Sondenspitze 6 (bzw. Cantilever 4) wirkt zu ermitteln, um z.B. Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen der Probe quantitativ zu charakterisieren..
Die vorgenannten rastersondenmikroskopischen oder kraftspektroskopischen Messungen finden bei präzise vorgegebenen Einstellparametern statt. Durch Störeinflüsse, wie bspw. thermische Effekte und/oder Oberflächeneffekte, kann es zu einer Drift dieser Einstellparameter kommen, was zu einer Verfälschung der Messungen führt. Beispielsweise kann sich der Cantilever 4 durch äußere thermische Einwirkung verbiegen oder verformen, wodurch der Messstrahl 2 eine Ablenkung erfährt, die das Messergebnis verfälschen kann. Der Cantilever 4 kann sich auch durch Oberflächeneffekte, Materialdegradation oder andere äußere Effekte verformen. Die hierdurch bewirkte Ablenkung des Messstrahls 2 kann mit Hilfe des Positionsdetektors 1 ermittelt werden, da sich folglich auch die Position des Auftreffpunktes des Messstrahles 2 auf den Positionsdetektor 1 verändert.
Diese unerwünschten Ablenkungen des Messstrahls 2 stören bspw. die Aufnahme einer korrekten Kraftkurve im Rahmen einer kraftspektroskopischen Messung. Daher wird in manchen Ausführungsbeispielen der Positionsdetektor und der Messstrahl 2, der von einem „freien" Cantilever 4 reflektiert wird, entsprechend zueinander positioniert. Der Cantilever 4 ist bspw. dann frei, wenn er nicht in Kontakt mit der zu vermessenden Probe ist. Diese Positionierung des Messstrahls 2 erfolgt bspw. auf zwei Arten, die auch miteinander kombiniert werden können. In manchen Ausfuhrungsbeispielen verschiebt ein Stellglied den Positionsdetektor 1 , derart, dass die ungewünschte Ablenkung des Messstrahls 2 kompensiert wird. In Fig. 1 ist diese Vorgang schematisch durch die beiden Pfeile dargestellt. Zum Beispiel wird der Positionsdetektor 1 so in einen Stellparameter verfahren, dass der Messstrahl 2 im wesentlichen zentriert auf den Positionsdetektor 1 trifft. In manchen Ausfuhrungsbeispielen wird hingegen das Strahlelement 3 mittels eines (nicht gezeigten) Stellgliedes so verstellt, dass die Ablenkung des Messstrahls 2 ausgeglichen, d.h. kompensiert wird. Auch in diesem Ausfuhrungsbeispiel ist es möglich, den Messstrahl 2, der aufgrund einer thermisch bedingten Drift wenigstens eines Teils des Systems verschoben wurde, wieder entsprechend zu positionieren, d.h. ihn bspw. zentral auf den Positionsdetektor 1 auftreffen zu lassen. In wieder anderen Ausfuhrungsbeispielen werden sowohl der Positionsdetektor 1 verschoben, als auch das Strahlelement 3 eingestellt, um der ungewünschten Auslenkung des Messstrahls 2 entgegenzuwirken. In solchen Ausfuhrungsbeispielen wird demnach sowohl der Positionsdetektor 1, als auch der Messstrahl 2 aufeinander zu bewegt.
Die Steuerung des Stellgliedes des Positionsdetektors 1 und/oder des Stellgliedes für das Strahlelement 3, erfolgt mittels eines geeigneten von einer Steuerung erzeugten Steuersignals.
Dieses Steuersignal wird in manchen Ausführungsbeispielen basierend auf einem Positionssignal erzeugt, welches die Position des Messstrahls auf dem Positionsdetektor 1 repräsentiert. Dabei wird bspw. das Positionssignal digital oder analog ausgewertet und aufgrund der Auswertung ein Steuersignal für das Stellglied generiert, welches das Stellglied veranlasst sich so einzustellen, dass der Messstrahl 2 so auf den Positionsdetektor 1 auftrifft, dass bspw. die thermische bedingte oder auf Oberflächeneffekten des Cantilevers 4 beruhende Verschiebung der Position des Messstrahls 2 auf dem Positionsdetektor wenigstens teilweise kompensiert, d.h. wenigstens teilweise ausgeglichen wird.
Das Steuersignal, welches basierend auf dem Positionssignal des Positionsdetektors 1 erzeugt wird, ist in manchen Ausführungsbeispielen so ausgebildet, dass eine Steuerung des Stellgliedes zumindest in einer Ebene möglich ist. In wieder anderen Ausführungsbeispielen ist sogar eine Steuerung eines entsprechenden Stellgliedes in alle drei Raumrichtung möglich, um beispielsweise den Positionsdetektor oder das Strahlelement nicht nur in laterale und vertikaler Richtung zu bewegen, sondern bspw. auch ein Verkippen bzw. eine Rotation zu ermöglichen. Dies ist bspw. dann sinnvoll, wenn der Messstrahl 2 nicht senkrecht auf den Positionsdetektor 1 auftrifft. Dazu ist das Stellglied bspw. motorisiert und so eingerichtet, dass es das Strahlelement bzw. den Positionsdetektor in beliebige Richtung bewegen kann.
Das oben erläuterte Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung, die eingerichtet ist das Verfahren auszuführen, wird in den Ausführungsbeispielen auf unterschiedliche Arten initiiert. In manchen Ausführungsbeispielen erfolgt der Start des Justage- oder Kompensationsverfahrens aufgrund einer Benutzereingabe. In anderen Ausführungsbeispielen erfolgt der Start hingegen automatisch, indem bspw. erkannt wird, dass die Drift einen gewissen Schwellenwert bzw. Triggerwert eines Stellparameters erreicht hat, der den Start des Verfahrens auslöst. Dazu wird in manchen Ausführungsbeispielen bspw. zwischen den Aufnahmen von Kraftkurven die Position des Messstrahls 2 auf dem Positionsdetektor 1 verglichen, wenn der Cantilever frei ist. Durch den Vergleich dieser unterschiedlichen Positionswerte zwischen den Kraftkurvenaufhahmen, kann bspw. eine Drift des Systems, wie zum Beispiel ein Verbiegen des Cantilevers 4, festgestellt werden. Erreicht die Drift bspw. einen vorgegebenen Schwellenwert (z.B. für eine Positionsveränderung), so wird in manchen Ausführungsbeispielen automatisch diese Drift kompensiert, wie oben ausgeführt wurde. In manchen Ausführungsbeispielen wird bspw. vor dem Start einer neuen Messung, die Position
des Messstrahls 2 auf dem Positionsdetektor 1 ermittelt und eine Drift des Messstrahls kompensiert.
Figur 2 erläutert beispielhaft einen Kraftkurvenverlauf, wie er bei einer entsprechenden Messung mit einem Kraftmikroskop/Rastersondenmikroskop in den Ausfuhrungsbeispielen entstehen kann. In manchen Ausfuhrungsbeispielen, z.B. auch bei solchen, die sich auf die Kraftspektroskopie beziehen, werden u. a. zwei (wichtige) Anforderungen an die Qualität der Kraftkurven gestellt. Zum einen soll die Kraft begrenzt sein, mit der die Sonde auf die Probe drückt, und zum anderen soll sichergestellt sein, dass die Kraftkurve eine ausreichende Länge hat, um die erwarteten Ereignisse aufzuzeichnen. Der in Fig. 2 gezeigte Kraftkurvenverlauf erstreckt sich zwischen drei gezeigten Punkten, einem Offsetpunkt 15, einem Kontaktpunkt 17 und einem Triggerpunkt 19. In den Ausfuhrungsbeispielen können auch mehr oder weniger Punkte einer Kraftkurve ermittelt werden; in manchen wird quasi ständig die Kraft ermittelt, mit der die Sonde auf die Probe drückt. Der Offsetpunkt 15 bestimmt den Anfang der Kraftkurve, während sich der Kontaktpunkt 17 dadurch auszeichnet, dass dort der Kontakt zwischen Sonde und Probe hergestellt wird, wie auch an dem Anstieg des Kurvenverlaufes erkennbar ist. Die Kraftkurve endet bei dem Triggerpunkt 19, bei welchem die Kraft einen Schwellwert erreicht, der sich bspw. dadurch ergibt, dass bei noch größeren Kräften zwischen Sonde und Probe, die Probe oder Sonde beschädigt werden könnte. Die Kraftkurve kann bspw. auch am VR-Punkt enden, bei dem die Auslenkung des Stellelements den größten Wert, den z.B. ein Benutzer für die Kraftkurve definiert hat, erreicht hat. Die Ordinate in Fig. 2 zeigt nach oben ansteigende Werte einer Kraft, die zwischen einer Probe und einer Sonde wirkt (und bspw. durch die entsprechende Auslenkung eines Cantilevers ermittelt wird, wie oben erläutert). Die Abszisse zeigt nach rechts ansteigende Werte einer Auslenkung eines Stellelements (bspw. Stellelement 8, wie in Fig. 1), hier eines Piezostellelements. Daher stellt die Abszisse die Auslenkungswerte des Stellelements als Position des Piezostellelement (Piezoposition) dar. Weiterhin zeigt Fig. 1 einen unteren Sicherheitsbereich 11 und einen oberen Sicherheitsbereich 13. Der untere Sicherheitsbereich 11 erstreckt sich zwischen einer minimalen Piezoposition ZnUn und einer unteren Piezoposition Zt>ot. Der obere Sicherheitsbereich 13 erstreckt sich zwischen einer oberen Piezoposition Ztop und einer maximalen Piezoposition Zmax. Die minimale und maximale Piezoposition stellen die minimal bzw. maximal möglich erreichbare Auslenkung des Stellelements dar. Die Piezopositionen Zbot bzw. Ztop hingegen, können in den Ausführungsbeispielen beliebig eingestellt werden.
Um eine Drift des Systems, die bspw. zu einer Veränderung des Abstandes zwischen Sonde Probe fuhrt, zu kompensieren, wird in manchen Ausfuhrungsbeispielen ein möglichst langer Kraftkurverlauf dadurch erreicht, dass bei jeder neuen Aufnahme einer Kraftkurve ein entsprechender Auslenkungswert (Offset) von dem ermittelten Triggerpunkt abgezogen wird, wodurch man einen neuen Offsetpunkt und damit neuen Startpunkt für die Kraftkurvenaufhahme erhält.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen reicht diese Art der Kompensation einer Drift des Systems nicht aus, wie in Figuren 3 und 4 veranschaulicht ist.
Fig. 3 zeigt beispielsweise die Aufnahme dreier Kraftkurven (1. durchgezogene, 2. gepunktete und 3. gestrichelte Linie), bei einer Drift im System, die den Abstand zwischen Sonde und Probe verringert. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Kraftkurve bei jeder neuen Aufnahme nach links verschoben. Die Triggerpunkte 20, 21 22 wandern ebenso, wie die Kontaktpunke 24, 25, 26 und Offsetpunkte 28, 29, 30 nach links. Bei mehreren Kurvenaufhahmen verschieben sich die Kraftkurven schließlich soweit nach links, dass bspw. der Offsetpunkt 30 in den unteren Sicherheitsbereich 11 gelangt, was schlussendlich dazu fuhrt, dass aufgrund der begrenzten Auslenkung des Stellelementes die Aufnahme einer weiteren Kurve nicht möglich ist.
Auf ähnliche Weise zeigt Fig. 4 die Auswirkungen einer Drift, die den Abstand zwischen Sonde und Probe vergrößert. Hier verschieben sich die drei Kraftkurven (1. durchgezogene, 2. gepunktete und 3. gestrichelte Linie) bei jeder neuen Aufnahme nach rechts. Was wiederum dazu fuhrt, dass die Triggerpunkte 31, 32, 33 ebenso, wie die Kontaktpunke 34, 35, 36 und Offsetpunkte 37, 38, 39 nach rechts wandern, bis bspw. der Triggerpunkt 33 in den oberen Sicherheitsbereich 13 gelangt. Daher kann auch in diesem Fall aufgrund der begrenzten Auslenkungsfähigkeit des Stellelements keine weitere Kraftkurvenaufhahme erfolgen.
In beiden Fällen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 beschrieben wurden, ist demnach der Stellbereich bzw. Auslenkungsbereich des Stellelementes aufgrund einer Drift irgendwann erschöpft. Daher wird in manchen Ausfuhrungsbeispielen erkannt, dass der Stellbereich des Stellelementes erschöpft ist, um daraufhin mittels eines Stellgliedes den Abstand zwischen Sonde und Probe zu vergrößern bzw. zu verkleinern, sodass weitere Kraftkurvenaufhahmen - quasi über den Stellbereich des Stellelementes hinaus - möglich
werden. Dazu wird in manchen Ausführungsbeispielen die Kraftkurve analysiert und bspw. ermittelt, ob der Offsetpunkt in den unteren Sicherheitsbereich 11 oder der Triggerpunkt bzw. VR-Punkt in den oberen Sicherheitsbereich 13 eindringt. Bspw. wird zunächst die Position der Kraftkurve innerhalb des maximalen Piezowegs ermittelt, um zu erkennen, ob durch die Drift zwischen Probe und Sonde ein Sicherheitsbereich erreicht wurde. Nach jeder aufgenommenen Kraftkurve wird dann überprüft, ob
(1) der Offsetpunkt der Kraftkurve innerhalb des unteren Sicherheitsbereich 11 liegt (s. bspw. Fig. 3) ; oder (2) der Triggerpunkt bzw. VR-Punkt der Kraftkurve innerhalb des oberen
Sicherheitsbereiches 13 liegt (s. bspw. Fig. 4).
Im Fall (1) wird vor der nächsten Kraftkurvenaufhahme durch das Stellglied bspw. das (gesamte) Stellelement mit Probenträger und Probe so verfahren, dass sich der Abstand zwischen Probe und Sonde so vergrößert, dass die nächste Kraftkurve zwischen den beiden Sicherheitsbereichen 11 und 13 liegt. Dazu wird bspw. der Offsetpunkt der nächsten Kraftkurve so gewählt, dass sich die Kraftkurve „zentral" im Auslenkungsbereich des Stellelements (bzw. zentral zwischen den beiden Sicherheitsbereichen 11 und 13) befindet.
Im Fall (2) wird vor Verschiebung des Stellelements durch das Stellglied die Auslenkung des Stellelements zurückgesetzt, d.h. auf den minimalen Auslenkungswert Zm^1. Dann verfährt das Stellglied das Stellelement derart, dass sich der Abstand zwischen Probe und Sonde so verkleinert, dass die nächste Kraftkurve zwischen den beiden Sicherheitsbereichen 11 und 13 liegt. Dazu wird bspw. der Offsetpunkt der nächsten Kraftkurve so gewählt, dass sich die Kraftkurve im Zentralbereich des maximalen Stellbereichs des Piezo-Stellelements befindet.
In Fig. 5 ist nun das Zusammenwirken zwischen Stellglied und Stellelement 58 veranschaulicht. Das Stellglied umfasst einen Antrieb 62, bspw. einen Stellmotor, und eine Verschiebeeinheit 60, die durch den Antrieb 62 auf- und abwärtsbewegt (in z-Richtung) werden kann. Das Stellelement 58 umfasst bspw. ein Piezostellelement, dessen möglichen Stellungen in z-Richtung durch gepunktete Linien angedeutet ist. Das Stellelement 58 weist eine minimale Auslenkung Zπώi und eine maximale Auslenkung Zmax auf, innerhalb derer sich das Stellelement 58 einstellen lässt. Weiterhin ist in Fig. 5 ein unterer Sicherheitsbereich zwischen ZnUn und Zbot und ein oberer Sicherheitsbereich zwischen Ztop und Zmax gezeigt.
Zwischen dem unteren und oberen Sicherheitsbereich befinden sich nun verschiedene Stellungen bzw. Auslenkungen des Stellelements 58, die sich entsprechenden Punkten einer Kraftkurve zuordnen lassen, wie bspw. Auslenkung 56 einem Offsetpunkt, Auslenkung 54 einem Kontaktpunkt, Auslenkung 52 einem Triggerpunkt und Auslenkung 50 einer vollen Rampe (VR). Wird nun während einer Analyse (wie oben ausgeführt) festgestellt, dass aufgrund einer Drift des Systems die Auslenkungsmöglichkeit des Stellelementes 58 erschöpft ist, so wird das Stellglied so gesteuert, dass der Abstand zwischen Probe und Sonde dementsprechend vergrößert bzw. verkleinert wird (wie oben beschrieben) und sich die nächste Kraftkurve im zentralen Auslenkungsbereich des Stellelements 58 befindet.
Statt des Offsetpunktes oder des Triggerpunkts können auch andere charakteristische Punkte der Kraftkurve, wie z.B. der Kontaktpunkt aus der Kraftkurve ermittelt werden, um zu erkennen, ob sich die Kraftkurve noch außerhalb des unteren bzw. oberen Sicherheitsbereiches befindet.
Die oben beschriebenen Verfahren, Vorgehensweisen und Vorrichtungen sind in den Ausfuhrungsbeispielen unterschiedlich verwirklicht. In manchen Ausfuhrungsbeispielen werden die Verfahren bspw. mittels eines Computerprogrammes automatisch ausgeführt, das bspw. eine Steuerung steuert. In anderen wiederum ist das Verfahren direkt in einer Steuerung verwirklicht, die wiederum bspw. automatisch eine rastersondenmikroskopische bzw. (raster)kraftmikroskopische Messung durchführt.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst bspw. eine Steuerung eine Analyseeinrichtung bspw. mit einem Mikroprozessor, die Daten empfängt und verarbeitet. Daten werden in manchen Ausführungsbeispielen von einem Positionsdetektor geliefert (wie oben beschrieben) und repräsentieren bspw. die Position eines Messstrahls auf dem Positionsdetektor. In manchen Ausführungsbeispielen werden auch Daten bspw. von einem Stellelement geliefert, die die aktuelle Auslenkung des Stellelements repräsentieren. In manchen Ausführungsbeispielen empfängt die Steuerung, bzw. die Analyseeinrichtung Kraftdaten, die die Kraft repräsentieren, die zwischen Sonde und Probe wirkt, oder sie ermittelt die Kraftdaten selber, basierend bspw. auf den Positionsdaten. Z.B. errechnet der Mikroprozessor aus den Positionsdaten, die vom dem Positionsdetektor kommen, entsprechende Kraftdaten.
Die Steuerung umfasst in manchen Ausführungsbeispielen einen Speicher, in dem bspw. Kraftkurvendaten abgelegt werden können und/oder Werte, die bspw. Schwellwerte für eine Kraft oder eine Auslenkung, oder ähnliches, darstellen. In solchen Ausfuhrungsbeispielen vergleicht bspw. der Mikroprozessor z.B. Trigger- oder Offsetpunkt(e), oder andere Punkte einer Kraftkurve, mit vorgegebenen Punkten oder Daten, wie bspw. Punkten oder Daten, die einen Sicherheitsbereich repräsentieren. In manchen Ausfuhrungsbeispielen sind bspw. die minimalen und maximalen Auslenkungsmöglichkeiten eines Stellelementes und/oder eines Stellgliedes in dem Speicher abgelegt.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen analysiert die Analyseeinrichtung die empfangenen Daten (wie Positionsdaten vom Positionsdetektor, vom Stellelement, vom Stellglied, Kraftdaten, oder ähnliches) und erzeugt aufgrund der Analyse ein Steuersignal für ein Stellglied. Dieses Steuersignal steuert das Stellglied derart, dass eine Drift die zu einer Veränderung eines Wertes (bspw. eines Kraftwertes, eines Positionswertes des Messstrahls auf dem Positionsdetektor, oder eines Abstandswerts zwischen Sonde und Probe) kompensiert wird.
In manchen Ausführungsbeispielen liegen die oben ausgeführten Ausführungsbeispiele auch bspw. zusammen oder gemischt vor, oder es sind Kombinationen der Ausführungsbeispiele mit ihren unterschiedlichen Ausgestaltungen untereinander verwirklicht.