WHITEPAPER – HÖCHSTAUFLÖSENDE MIKROSKOPIE AUS DEM BAUKASTEN
Dipl.-Phys. Gernot Hamann

Piezobasierte Scantische für exakte
Probenpositionierung und -messung
Höchstauflösende Mikroskopie aus dem Baukasten

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de

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Dipl.-Phys. Gernot Hamann

InLife-Sciences,Analytik

deroderchemisch-pharmazeutischen

auchinMaterialwissenschaften
mikroskopischedenreichen
hinsichtlich

modernen

Hause WITec sind modular aufgebaut (Abb. 1). Dadurch

klassische

ist

es

beispielsweisemöglich,ein

konfokales

optischer

Ramanmikroskop bei Bedarf mit Rasterkraft-Mikroskopie

Auflösung oder Informationsgehalt nicht mehr aus.

zu kombinieren (AFM). Das gleiche Gerät kann dannDaher kann es oft sinnvoll sein, unterschiedlichemolekulare Raman- und strukturelle AFM-Informationen

Methoden miteinander zu kombinieren, um möglichst

derselben Probenregion liefern und in Zusammenhangumfangreichezubringen. Für hochauflösende optische Informationen

hochauflösende

lässt sich das Mikroskop auch zusätzlich noch mit

erhalten.

Verfahren

Die höchstauflösenden Mikroskopiesysteme aus dem

Informationen

Modularüber

eineaufgebaute,

Mikroskopsysteme

erschließen

Möglichkeiten,

daMikroskopieverfahren

hiersichwahlweiseProbeinteressanteNahfeldmikroskopie (SNOM) ausstatten. Dadurch sindunterschiedlicheganz nach Bedarf der jeweiligen Anwendung präzise

inoptische,

topografische

Kombination nutzen lassen. Für die in jedem Fallmöglich,vonnotwendige,dynamischeAnwendungsbereiche profitieren. Das Einsatzspektrum

Probenpositionierung sorgen piezobasierte Scantische,der modular aufgebauten Hochpräzisionsmikroskope

die sich dank ihrer kompakten Bauweise gut in die

reichtMikroskope integrieren lassen.

Lebendzell-Untersuchungenhochgenaue

einzelnundodervonderunddenen

molekulare

dieunterschiedlichsten

pharmazeutischenüber

Analysen

ForschungundNanophotonik,Forensik bis hin zu Analysen in Photovoltaik- oderHalbleitertechnik.

Nahaufnahmen unterhalb derBeugungsgrenze
Die optische Nahfeldmikroskopie (Scanning Near Field
Optical Microscopy oder SNOM) erlaubt die Abbildung
von wesentlich kleineren Strukturen, als es mit derkonventionellen Mikroskoptechnik möglich ist (Bild 2).
Denn

bei

Letzteren

ist

dieAuflösung

durch

Beugungseffekte am Objektiv auf rund die Hälfte ihrer
Strahlungswellenlänge begrenzt. Anders bei SNOM: Hier
koppelt eine Glasfaser Laserlicht in eine innen hohle
Messspitze. Das Licht tritt an der Spitze durch einewinzige Öffnung aus, die einen Durchmesser vonweniger als 100 nm hat. Wird die Öffnung derMessspitze in geringen Abstand zur Probenoberfläche
gebracht, lässt sich so ein Spot deutlich unterhalb derAbb. 1 Die modular aufgebauten Mikroskopiesysteme
aus dem Hause WITec ermöglichen es beispielsweise,
ein konfokales Ramanmikroskop bei Bedarf mit
Rasterkraft-Mikroskopie zu kombinieren (AFM)(Bild: WITec GmbH)

Beugungsgrenze klassischer Mikroskopie beleuchten.
Bis zu ca. 60 nm laterale Auflösung sind erzielbar,während der Wert bei konfokaler (Licht)Mikroskopieüblicherweise zwischen etwa 200-300 nm liegt.

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Die Probe wird dann Punkt für Punkt abgerastert, dazu

Diese Aufgabe übernimmt ebenfalls der Scantisch.

wirdDieses Nachregeln der z-Position liefert topologischesieunterderMessspitzevoneinempiezogetriebenen, hochauflösenden Scantisch verfahren.
An jeder Position nimmt die im Mikroskop integrierte
Kameradiespeichert

ankommendediesenPositionsinformation.

Lichtintensität

aufundWert

zusammen

mitderDaraus

wird

das

Bild

dann

zusammengesetzt. Auflösung und Genauigkeit desBildes sind auch von der Positioniergenauigkeit und Stabilität des Scantisches abhängig (Abb. 2).

Informationen zusätzlich zum optischen SNOM-Bild.
Auch

beim

AFM-Verfahren

wird

dieMessspitze

zeilenweise in einem definierten Raster über dieProbenoberfläche geführt. Gemessen werden Kräfte
zwischen einer sehr dünnen Messspitze und derObjektoberfläche,diedann

Aufschlussüber

dieTopografie der Oberfläche geben. Zudem können
Probeneigenschaften wie Adhäsion, Steifigkeit oder
Viskosität bestimmt werden.
Das laterale Auflösungsvermögen liegt bei 10 nm unddarunter. Auch hier wird die Position der Probe inRichtung der z-Achse nachgeregelt. Die Variation der zPosition zusammen mit den für die Ortsauflösung
relevanten x- und y-Koordinaten liefern dann die
hochpräzisen

Topografie-Informationen

derProben(Abb. 3).

Abb. 2 Für hochauflösende optische Informationen lässt
sich das Mikroskop auch zusätzlich mit
Nahfeldmikroskopie (SNOM) ausstatten. Dies erlaubt die
Abbildung von wesentlich kleineren Strukturen, als es
mit der konventionellen Mikroskoptechnik möglich ist(Bild: WITec GmbH)

Informationen über die
Oberflächentopologie
SNOM

liefertgleichzeitig

Oberflächentopologie:Daauch

Informationen

derAbstandzurzwischen

Messspitze und Oberfläche konstant gehalten werdenmuss und praktisch keine Oberfläche wirklich eben ist,Abb. 3 Die Rasterkraft-Mikroskopie AFM liefert präzise
Informationen über die Oberflächentopologie (Bild:WITec GmbH)muss die Probenposition in z-Richtung nachgeregeltwerden.

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Abb. 4 Topografie eines PEET-PET-Polymerfilms auf einem Glassubstrats mit einem AFM aufgenommen (links) sowie das
Ramanspektrum (rechts) und die Falschfarbendarstellung des Ramanbildes (Mitte) (Bild: WITec GmbH)Die Ramanmikroskopie basiert auf einem konfokalen,

Positionieren mit höchster Auflösung
und Dynamik

optischeneinem

Die Auflösung muss im Sub-Nanometerbereich liegen,Ramanspektrometer. Bei einem konfokalen Systemda das beim Scannen eingesetzte Positioniersystem diewerden Blenden verwendet, um Licht außerhalb derOrtsauflösung

Fokusebene des Mikroskops zu unterdrücken. SomitAnforderungen an die Dynamik hoch, denn je schneller

erhält man nur Licht-Information aus der Fokusebene,

die Topographienachführung in z-Richtung erfolgt, desto

dieImschneller ist auch die Positionierung in x- und y-Achse

Spektrometer wird dieses Licht spektral aufgetrennt undmöglich. Das verkürzt nicht nur die Messdauer, sonderndetektiert. Die Probe wird Punkt für Punkt und Linie fürreduziert auch eventuell vorhandene Temperatur-Drift,

Linie gescannt. Die laterale Auflösung liegt bei grünem

die sich zeitabhängig vergrößert. Eine hohe Dynamik

Anregungslicht bei ca. 200 nm. Bei der Messung wird fürkommt damit auch der Genauigkeit zugute.

Der chemische Fingerabdruck
Mikroskop,zum

jeden

kombiniert

Spektrometer

Bildpunkt

ein

mit

weitergeleitet

komplettes

wird.

liefert.

Gleichzeitig

sind

dieRamanspektrum

aufgenommen. Diese Ramanspektren sind für jede
Molekülart wie ein spezifischer Fingerabdruck, sodass
die chemischen Bestandteile einer Probe für jeden
Bildpunkt identifiziert und deren Verteilung in der Probedargestellt werden können.
Kombiniert man das Raman Imaging mit AFM hat mansowohl

hochaufgelöste

topografischealsauchmolekulare Informationen über die Probenoberfläche. Da
die entsprechenden Bilder nacheinander aufgenommen
und dann überlagert werden (Abb. 4), sind die
Anforderungen

anden

Scantischextrem

hoch.

Schließlich ist die präzise Positionierung in allen drei
Achsen Voraussetzung für die Genauigkeit des Bildes.

Abb. 5 Bei der Probenpositionierung übernimmt derpiezobasierte Scantisch eine Schlüsselrolle. Er ist
ausgelegt für Verfahrwege von 100 oder 200 µm in denAchsen der Scanebene und 30 µm in Richtung der zAchse, ermöglicht eine Positionsauflösung besser als 2
nm. Kapazitive Sensoren und Digitalelektronik sorgen fürhöchste Stabilität

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Bei der Positionierung entschied sich WITec aus diesen

Dass er sich dank seiner kompakten Abmessungen gut

Gründen für einen piezobasierten Scantisch (Abb. 5) von

integrieren ließ, kam der beschriebenen Anwendung

PI Er ist ausgelegt für Verfahrwege von 100 oder 200 µm

natürlichin den Achsen der Scanebene und 30 µm in Richtung

Einbauplatz gerade bei Mikroskopen immer knapp

der z-Achse, ermöglicht eine Positionsauflösung besser

bemessen.

als 2 nm und bietet damit beim Einsatz in den modular
aufgebauten Mikroskopen für alle drei Verfahren beste

ebenfalls

entgegen,schließlichistderAutoren

Voraussetzungen.
Diese sehr hohe Bewegungsauflösung ist nur möglich,
weil es bei der Bewegung der Piezoantriebe keine
klassischen

mechanischen

Komponenten

gibt,

dieReibung oder mechanisches Spiel besitzen.

Kapazitive Sensoren undDigitalelektronik sorgen für Stabilität
Die Stabilität bzw. Bahngenauigkeiten während desScans ist vor allem beim Raman Imaging in Kombination
mit AFM wichtig, da die Messungen hier durchaus einige
Minuten dauern und auftretende Drift die Aufnahmenverzerren würden. Zusätzlich erhöht die aktive Führung
mit Hilfe kapazitiver Sensoren die Bahntreue: DieSensoren messen eventuelle Abweichungen in der zur
Bewegungsrichtung senkrechten Achse. Ein ungewolltesÜbersprechen der Bewegung (z. B. durch externe
Krafteinwirkung oder mechanisches Übersprechen) in
eine andere Achse kann so detektiert und in Echtzeit
aktiv ausgeregelt werden.

Controller. Er ist speziell auf den piezobasiertenabgestimmt

dynamischenBetrieb

Manager für Mikroskopie bei Physik Instrumente (PI)Über Physik Instrumente (PI)In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik
Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum
führenden

Hersteller

Genauigkeiten

imvonPositioniersystemen

Bereicheinzelnermit

Nanometer

entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier
Sitzenin

Vertriebs-Deutschland
undundzehn

Serviceniederlassungenausländischeninternationalvertreten.
Über 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt

Die dafür notwendige Steuerung übernimmt ein digitaler
ScantischDipl.-Physiker Gernot Hamann, Business Development

undgarantiert

auch

im

eineguteLinearität.

DieDigitalelektronik arbeitet außerdem mit hoher Taktrate,denn sie ist entscheidend für genaue Zuordnung derPositionswerte des Scanners und der Aufnahmekamera.

versetzen die PI-Gruppe in die Lage, fast jede
Anforderung aus dem Bereich innovativer PräzisionsPositioniertechnik zu erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien
werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jedePhase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert
werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso
wie die Positionssensorik.

Wäre sie zu langsam oder ungenau, gäbe es bei derDieZuordnung Auflösungsverlust und Verzerrungen (Jitter).

werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose

Das piezobasierte Scansystem übernimmt damit einegefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen auf

wesentliche Rolle in den Hochpräzisionsmikroskopen.

dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.

dafür

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piezokeramischen

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Dipl.-Phys. Gernot Hamann

Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist
spezialisiert

aufflexible

Positioniersysteme

Ultrahochvakuum-Anwendungenparallelkinematische

für
sowie

Positioniersysteme

mit

sechs

Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

Über WITec
Seit der Gründung 1997 hat sich die WITec GmbH mit
Stammsitz in Ulm zum Marktführer hochauflösender
Mikroskopiesysteme(Raman,AFMundSNOM)

entwickelt und konnte durchschnittlich Wachstumsraten
von jährlich 10 % erwirtschaften. Heute beschäftigt dasUnternehmen weltweit 52 Mitarbeiter und ist mit
Zweigstellen in den USA und Asien sowie regionalen
Büros in Spanien und Japan rund um den Globus
vertreten. Hauptanwendungsgebiete für die modular
aufgebauten Hochleistungs-Mikroskope, bei denen sichunterschiedliche
lassen,Verfahren miteinander kombinieren

findenMaterialwissenschaften

sichundinLife

Nanotechnologie,
Science.

Diewichtigsten Absatzmärkte sind neben Europa die USAund der asiatisch-pazifische Raum, wobei die Anwender
aus Forschung und Industrie kommen.

PI Hauptsitz in Karlsruhe: Mehr als 350 Mitarbeiterentwickeln und fertigen hier eine breit gefächerte Palette
hochauflösender Antriebssysteme undPositionierlösungenPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de

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