Wer wir sind

+++ Neuigkeiten (1.6.2023): Wir ziehen um an das Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart! Meldet euch, wenn ihr im Team mitmachen wollt! +++

Wir sind eine interdisziplinäre Gruppe von Rasterkraftmikroskopie Enthusiasten, die ständig die Grenzen dieser faszinierenden Mikroskopiemethode ausloten. Ziel ist es, die zugrunde liegende Physik von nanoskaligen Systemen zu verstehen.

Ein Schwerpunkt liegt dabei auf neuartigen photovoltaischen Materialien und Bauelementen (sogenannte Perowskit-Solarzellen). Wir entwickeln neue Methoden, die auf der Kelvinsonden-Kraftmikroskopie basieren, um die Potenzial- und Photospannungsverteilung sowohl auf photovoltaischen Dünnschichten als auch in den verschiedenen Schichten funktionierender Solarzellen-Bauelemente abzubilden. Außerdem waren wir die erste Gruppe, die die Existenz ferroelastischer Domänen in Perowskitfilmen nachgewiesen haben.

Um die Grenzen der Kraftmikroskopie auszuloten, haben wir ein rauscharmes Mikroskop entwickelt. Dieser Aufbau ist für den Betrieb in flüssigen Medien optimiert und kann die Oberflächentopographie mit atomarer Auflösung abbilden. Darüber hinaus bietet es eine sehr flexible Plattform für die schnelle Implementierung neuer Betriebsarten wie elektrische oder photothermische Anregung oder Multifrequenzanregung und -detektion. Mit diesem Mikroskop erforschen wir grundlegende Mechanismen molekularer Wechselwirkungen an Fest-Flüssig-Grenzflächen.

Zusätzlich zu den Mikroskopie-Aktivitäten untersuchen wir einen besonderen Effekt, der als „Slide Electrification“ bezeichnet wird: Ein Wassertropfen, der über eine isolierende, hydrophobe Oberfläche gleitet, lädt sich elektrisch auf. Ähnlich wie bei der reibungselektrizität können die Spannungen sehr hoch sein: bis zu mehreren Kilovolt. Um diesen Effekt zu verstehen und die Umwandlungseffizienz zu optimieren, entwickeln wir empfindliche Messinstrumente, die zuverlässige Messungen der kleinen Tropfenladung ermöglichen.

Was ist Kraftmikroskopie?

…wenn Sie bis jetzt kein einziges Wort verstanden haben

Ein Rasterkraftmikroskop, oft auch „Atomic force microscope“ (AFM) genannt, ist ein Gerät, das schwachen Kräfte zwischen einer winzigen und sehr scharfen Spitze und einer Probenoberfläche aufspürt. Diese Kräfte entstehen durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen in der Spitze der Spitze und den Atomen auf der Oberfläche der Probe. Durch Rasterabtastung der Oberfläche kann das Kraftmikroskop die Struktur unter der Spitze „erfühlen“ und die Oberflächentopographie rekonstruieren.

Um diese Kräfte zu erfassen, wird die Spitze am Ende eines rechteckigen Siliziumbalkens, des so genannten Cantilevers, positioniert, der viel kleiner ist als ein menschliches Haar (siehe Abbildung unten). Jede Kraft, die auf die Spitze einwirkt, lenkt den Balken nach oben oder unten ab. Diese Ablenkung wird von einem Laserstrahl erfasst, der von der Rückseite des Siliziumstrahls reflektiert wird. Die Grenze für die Rauscherfassung ist das Rauschen im Ablenksignal. Dieses Rauschen hat zwei Anteile:

• Detektorrauschen: Rauschen, das durch Schwankungen der Laserintensität verursacht wird, und das elektronische Rauschen im Detektor. Dieser Beitrag kann durch das Kraftmikroskop-Design erheblich reduziert werden, wie aus dem obigen Rauschdiagramm hervorgeht.
• Thermisches Rauschen: Thermische Schwankungen lassen den Cantilever vibrieren (die beiden breiten Spitzen im obigen Rauschdiagramm). Dieses Rauschen legt die grundlegende Nachweisgrenze für einen bestimmten Cantilever fest.