Atomic force microscopy based surface potential measurement in water

Abstract

Die Erfassung von Oberflächenladungen und Potenzialverteilungen auf der Nanoskala istfür die Untersuchung verschiedenster makroskopischer Effekte wie Korrosion oder biomo-lekularer Wechselwirkungen von entscheidender Bedeutung. Herkömmlichen Methoden mangelt es jedoch in der Regel an der räumlichen Auflösung, die für Messungen in diesem Maßstab erforderlich ist. Die einzigen ortsaufgelösten Techniken, die elektrische Potenzialverteilungen erfassen können, basieren auf der Rasterkraftmikroskopie (AFM).Hierbei wird mit einer miniaturisierten Spitze die Oberfläche einer Probe ertastet und die resultierenden Kraftwechselwirkungen gemessen. Daraus haben sich in den letzten Jahrzehnten verschiedene Methoden entwickelt, die in einige wesentliche Fragen der wis-senschaftlichen Forschung Einblick gewähren. Die bekannteste AFM-Methode in dieser Hinsicht - Kelvin-Probe Force Microscopy (KPFM) - kann jedoch nicht in wässrigen Lösungen eingesetzt werden, da die eingesetzte quasistatische Spannung verschiedene unerwünschte elektrochemische Effekte hervorruft. Wasser als sehr wichtige und physiologisch relevante Lösung ist jedoch die natürliche Umgebung vieler biologischer Prozesse, was Messungen in diesem Medium sehr wertvoll macht.Das Bestreben, Potenzialmessungen im Nanobereich in Wasser zu ermöglichen, führte daher zur Entwicklung mehrerer fortgeschirttener KPFM-Techniken. Allerdings gibt es beim Betrieb dieser Verfahren noch einige Probleme, da sie entweder auf eine Kalibrierung angewiesen sind, ein mäßiges Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen oder einen immensen Aufwand der Daten-Nachbearbeitung erfordern. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige AFM-Methode (AC-KPFM) auf die Anwendung bezüglich Oberflächenpotentialmessungen in Wasser hin untersucht. Nach der Analyse von Fähigkeiten und Grenzen werden Schritte zur Verbesserung der räumlichen Auflösung unternommen.Dazu gehört die Integration eines Heterodyn-Detektionsschemas, bei dem Messungen an einzelnen Kollagenfibrillen im Nanomaßstab, die in deionisiertes Wasser eingetaucht sind, erfolgreich demonstriert werden. In einer weiteren Arbeit wird die Frequenz des elektrischen Stimulus von der Cantilever-Dynamik entkoppelt, was eine potentielle Anwendung in Lösungen mit hoher Ionenkonzentration ermöglicht.Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur sich ständig weiterentwickelnden Landschaft an AFM-Messmethoden zu leisten, indem sie einen Einblick in bisher unzugängliche Informationen ermöglicht. Hierbei bietet sie einen umfassenden Überblick über verschiedene Faktoren, die für Forscher bei der Verwendung dieser Methoden zur Untersuchung von Veränderungen der Oberflächenladung im Nanobereich von großer Hilfe sind. Mögliche Anwendungen reichen von den Bio- bis zu den Materialwissenschaften, welche von immenser wissenschaftlicher und wirtschaftlicher Bedeutung sind.

Measuring surface charges and potential distributions at the nanoscale is crucial for investigating several macroscopic phenomena, such as corrosion or biomolecular in-teractions. However, conventional methods usually lack the spatial resolution, which is necessary for assessing charge dynamics at this scale. The only spatially resolved techniques that are sensitive to electric potential distributions are based on Atomic Force Microscopy (AFM), where a miniaturized tip scans over the surface of a sample.Here, various methods have evolved in the last decades, which targeted some striking questions in scientific research, such as the role of surface charges in cellular adhesion or the impact of potential distributions on semiconductor surfaces for optimizing electronic device performance. The most prominent AFM mode in this regard, Kelvin-probe Force Microscopy (KPFM), is however unable to operate in a queous solutions due to its use of a quasistatic voltage that induces several unwanted electrochemical effects. But water as a very important and physiologically relevant solution is the natural environment of many biological processes, making measurements in this medium highly valuable.The quest to enable nanoscale potential measurements in water there fore led to the development of several advanced KPFM techniques. However, major issues during operation of these modes still remain, as these either rely on the accuracy of calibrations,feature a bad signal-to-noise ratio (SNR) or demand for cumber some post-processing. Inthe course of this thesis a novel closed-loop approach (AC-KPFM) is explored towards its application for surface potential measurements in water, as it bypasses the need for any detrimental quasistatic voltages. Its performance is evaluated and steps are taken to enhance its spatial resolution. This includes the integration of a heterodynedetection scheme, where measurements on individual nanoscale collagen fibrils immersed in deionized water are successfully demonstrated. Further, efforts are taken to decouple the frequency of the electrical stimulus from the cantilever dynamics, which offers apromising extension towards application in solutions of high ionic concentration.Overall, this thesis endeavors to contribute to the constantly evolving landscape of nanoscale investigation tools by introducing novel methodologies that enable insight into previously in accessible information. The presented analysis provides a framework and comprehensive overview of various factors, which help researchers in adopting the developed AFM-techniques for their applications on studying nanoscale surface charge alterations in water. Possible applications are envisaged in various scientific domains,spanning biological and material sciences, which hold immense scientific, economic and ecologic relevance.