Hochauflösende Abbildung von Oberflächensteifigkeiten mittels Ultraschall-Kraftmikroskopie

Unter Ultraschall-Kraftmikroskopie (AFAM für "Atomic Force Acoustic Microscopy") versteht man Techniken, bei denen Ultraschallwellen in der Probe und in der mikroskopischen Blattfeder des Kraftmikroskops angeregt werden. AFAM kann auch als eine spezielle Form dynamischer Kraftmikroskopie angesehen werden, bei der ein größeres Frequenzspektrum von Federbalkenschwingungen, nämlich im Bereich von einigen 10 kHz bis MHz, ausgewertet wird als bei anderen Techniken wie z. B. der "Force Modulation Mode". Die Sensorspitze wird mit einer voreingestellten statischen Auflagekraft auf die Probenoberfläche aufgesetzt. Die Steifigkeit dieses mechanischen Kontakts hängt von der Geometrie und von den physikalischen Kräften zwischen Spitze und Probe ab. Maßgeblich fließen die elastischen Konstanten in die Kontaksteifigkeit ein. Theoretisch und experimentell wird gezeigt, dass das Schwingungsspektrum des Federbalkens von der Kontaktsteifigkeit abhängt. Dies wird in der sogenannten Kontaktresonanz-Spektroskopie genutzt, um Steifigkeitsbilder von Oberflächen mit nanometrischer Auflösung zu erhalten und um mittels einer Referenzprobe lokale elastische Konstanten von Oberflächen quantitativ zu ermitteln. Anisotrope Werkstoffe können durch einen Indentations-Modul beschrieben werden, der auch bei nanoindentierenden Techniken zur Berechnung der Kontaktsteifigkeit verwandt wird. Mit der AFAM können ferroelektrische Domänen in Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)-Keramiken abgebildet und Elastizitäten dünner Schichten untersucht werden. Beispiele hierfür werden gezeigt