Das Dokument beschreibt eine Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie, die ein Lego®-Modell eines Rasterkraftmikroskops (AFM) enthält. Es erklärt die Grundlagen der Nano-Dimension und die Funktionsweise des AFM sowie die Vorteile und Materialien, die zum Bau des Lego®-Modells erforderlich sind. Das Modell dient Lehrzwecken, ist kostengünstig und ermöglicht eine einfache Nachbildung des tatsächlichen AFM-Prinzips.

1. Datum:
Autor: Fabian Thomssen
Swiss Nano-Cube
Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen
Tel. +41 (0) 71 278 02 04, info@swissnanocube.ch
www.swissnanocube.ch
Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für
Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere
Fachschulen
LEGO®
-Modell eines
Rasterkraftmikroskops
April 2014

2. © 2014 - Swiss Nano-Cube
Gliederung des Moduls
 Grundlagen
 Die Nano-Dimension
 Theoretische Grundlagen zum Rasterkraftmikroskop
(AFM)
 Informationen zum Rasterkraftmikroskop-Modell (LEGO®
Mindstorms)
 Bilder
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Inhalt

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Grundlagen
 Was ist die Nano-Dimension?
 Was ist ein Rasterkraftmikroskop?
 Wie funktioniert ein Rasterkraftmikroskop?
 Wie sehen Scans eines Rasterkraftmikroskops aus?
 Wie können Sie sich selbst ein Modell eines
Rasterkraftmikroskops bauen?
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Fragestellungen

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Grundlagen
 Was ein Atom ist
 Was ein Mikroskop ist
 Was positive und negative Exponenten bedeuten
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Was Sie schon wissen sollten

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Die Nano-Dimension
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Quelle: Universität Mainz Quelle: www.surf.nuqe.nagoya-u.ac.jp
Verhältnis Erde/Fussball = Verhältnis Fussball/Fulleren
Quelle: Dr. Martin Schubert Kompetenzzentrum cc-NanoChem e. V.
Was ist das?
1 Nanometer = 0.000000001 (10−9
) Meter
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Die Nano-Dimension
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Graphit: Mit dem menschlichen Auge
Graphit: Mit dem Lichtmikroskop
Graphit: Mit dem Elektronenmikroskop
Graphit: Mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM)
Quelle: Bilder: www.nanoscience.ch/nccr/nanoscience/pictures
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 Das Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) dient zur
Darstellung von Oberflächen in der Nanodimension.
 1986 erhielten Heinrich Rohrer und Gerd Binnig den Nobelpreis für
Physik für die Entwicklung eines Rastertunnelmikroskops (IBM-
Forschungslabor, Rüschlikon).
 Das Rasterkraftmikroskop besitzt einen Fühler, dessen Spitze eine
Grösse von wenigen Nanometern aufweist.
 Kleinste Unebenheiten im Nanometerbereich werden durch die
Atome an der Spitze des Fühlers wahrgenommen. Die Unebenheit
führt zu einer Auslenkung des Fühlers, welche durch einen
Laserstrahl auf einen Detektor übertragen wird.
 Die Struktur der Oberfläche wird von einem Computer berechnet und
visuell dargestellt.
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Rasterkraftmikroskop
Allgemeines

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Rasterkraftmikroskop
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Atome an der Spitze des AFM-Fühlers
Atome auf der
Probenoberfläche
abstossende
Kraft
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Rasterkraftmikroskop
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SCAN 1
500 nm
LASER
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Rasterkraftmikroskop
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Nadelspitze eines Rasterkraftmikroskops, aufgenommen mit einem
Rasterelektronenmikroskop.
Quelle: CreativeCommons, Originaldatei: http://de.wikipedia.org/
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11. © 2014 - Swiss Nano-Cube
Rasterkraftmikroskop
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http://www.youtube.com/watch?v=MNQqn0uNdqs
NanoWelten: NanoKontakt
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12. © 2014 - Swiss Nano-Cube
Rasterkraftmikroskop
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Quelle: Bilder: www.nanoscience.ch/nccr/nanoscience/pictures
AFM: Oberfläche eines Brillenglases
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13. © 2014 - Swiss Nano-Cube
Rasterkraftmikroskop
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Quelle: www.nanoscience.ch/nccr/nanoscience/pictures
© Dirk Hoffmann - Fotolia.com
AFM: Oberfläche von Kupfer
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 Funktioniert wie ein richtiges Rasterkraftmikroskop
 Kann selbst nachgebaut werden
 Besteht hauptsächlich aus LEGO®
-Bausteinen
 Materialkosten: ungefähr 750 CHF
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LEGO®
-AFM-Modell
Allgemeines

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LEGO®
-AFM-Modell
© Copyright 2014: Die Innovationsgesellschaft, St. Gallen

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 Im Vergleich zum wirklichen AFM ist das LEGO®
-Modell
sehr kostengünstig.
 Der Zusammenbau des LEGO®
-Modells ist relativ einfach.
 Es hat dasselbe Funktionsprinzip wie ein richtiges Atomic
Force Microscope.
 Sehr gut für Lehrzwecke geeignet
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LEGO®
-AFM-Modell
Vorteile des LEGO®
-AFM-Modells

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 Die Messungen sind nicht sehr präzise.
 Für den Zusammenbau des Modells müssen ca. 5 Stunden
Zeit einkalkuliert werden.
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LEGO®
-AFM-Modell
Beim Arbeiten mit dem LEGO®
-AFM-
Modell ist zu berücksichtigen:
http://mcise.uri.edu/park/MNEL/legoafm/index.html

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Das Modell besteht fast ausschliesslich aus LEGO®
-Teilen.
Die meisten davon befinden sich im „LEGO®
Mindstorms“ Set,
die restlichen können bei einem Online-Shop (beispielsweise
Pick a Brick) bestellt werden.
Neben den LEGO®
-Teilen werden noch folgende
Komponenten benötigt:
Spiegel
Laserpointer
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LEGO®
-AFM-Modell
Was wird zum Bau benötigt?