Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kontrastbildung in der Rasterkraftmikroskopie im Kontaktmodus und im dynamischen Modus analysiert. Kontaktmodus Die Abbildungsprozesse im Kontaktmodus wurden anhand der Au (111) 22 (± 1) x Ö 3 - Oberfläche untersucht. Messungen an Terrassen zeigen, dass die rasternde Spitze Material transportiert. Die Transportrichtung wird durch die Lage der 22 (± 1) x Ö 3 - Überstruktur bezüglich der Rasterrichung vorgegeben. Die Struktur der Goldoberfläche beeinflusst die Reibung, die aus der Lateralkraft bestimmt wird. Auf glatten Terrassen wurde eine deutlich größere Lateralkraft gemessen als auf rauhen. Bisher konnte nur der Spitzenradius in Rasterrichtung abgeschätzt werden, indem über Stufenkanten gerastert wurde und die Stufenbreite im Linienprofil ausgemessen wurde. Die eigentliche Kontaktfläche zwischen Spitze und Probe ist dadurch nicht zugänglich. Hier hat sich die Verwendung der langreichweitigen Überstruktur als vorteilhaft erwiesen. Aus den unterschiedlichen Abbildungen der Überstruktur wurden Informationen über den Einfluss und die Größe der Kontaktfläche gewonnen. Erstmals konnte im UHV die atomare Struktur einer Metalloberfläche reproduziert werden. Weder eine Schichtung der abzubildenden Proben, noch ein Wasserfilm zwischen Spitze und Probenoberfläche ist Voraussetzung zur Abbildung der atomaren Struktur. Die bei den Abbildungen gefundenen Überhöhungen der atomaren Korrugation ist zum einen auf einen stick slip und buckling Prozess zwischen Spitze und Probe zurückzuführen, wie dies bereits für HOPG und Mica gefunden wurde. Zum anderen wird die "giant corrugation" durch die Kopplung von Normal- und Torsionsverbiegung der Blattfeder verstärkt. Der Spitze - Probe - Kontakt stabilisiert sich, indem die Spitze beim Rastern Gold aufnimmt. Dies zeigen Z (V) - Kurven, in denen sich die Kontaktspannung zwischen Spitze und Probe vor und nach den Messungen um bis zu 1 V von ca. 1,2 V auf 0,3 V verringerte. Durch Messungen an der Au (110) - Oberfläche konnte gezeigt werden, dass auch eine anisotrope Oberflächenstruktur durch die Rasterkraftmikroskopie im Kontaktmodus im atomaren Maßstab abgebildet werden kann. Eine hohe Symmetrie der Oberfläche ist, entgegen den bisherigen Annahmen keine zwingende Vorraussetzung für die Reproduktion der atomaren Struktur einer Oberfläche. Strukturen mit großem Unterschied in den Gitterabständen, wie z.B. C60 - Inseln auf einem Cu (111) - Substrat, konnten nacheinander in ihrer atomaren Struktur abgebildet werden. Eine gleichzeitige Abbildung gelang nicht. Vermutlich muss die Spitze immer mit dem Material bedeckt sein, dessen Struktur gerade reproduziert werden soll. Dynamischer Modus Die Wechselwirkungsmechanismen zwischen Spitze und Probe im dynamischen Modus wurden an der Au (111) 22 (± 1) x Ö 3 - Oberfläche und an der Si (111) 7 x 7-Struktur untersucht. Die Topographie der Probenoberfläche wird aus der Verschiebung der Eigenfrequenz des in Resonanz schwingenden Cantilevers gewonnen. Zusätzlich enthält das Anregungssignal der Schwingung (Damping) Informationen über die Energiedissipation zwischen Spitze und Probe. In den Damping - Bildern gibt es besonders an Stufenkanten einen deutlichen Kontrast, der u.a. durch die Aufladung der Stufenkanten (Smoluchowski) verursacht wird. Die durch die schwingende Spitze bewegten Ladungen dämpfen die Cantilever -Schwingung durch Joulsche Reibung. Eine Anregung der Stufenkanten - Atome zu Schwingungen sowie eine veränderte chemische WW der Spitzenatome mit den Stufenatomen trägt ebenfalls zu einer von den Terrassen unterschiedlichen Energiedissipation und damit zu einem Kontrast im Damping an Stufen bei. Während der Kontrast bei Stufen der Si (111) - Oberfläche immer einheitlich ist, gibt es einen wechselnden D - Kontrast bei Au (111) - Stufen. Es handelt sich um die beiden unterschiedliche Stufentypen ((111) bzw. (100)), die sich auf einer fcc -Oberfläche ausbilden können. Die Stufentypen unterscheiden sich in ihrer Austrittsarbeit. Dies äußert sich in einer unterschiedlichen Kontaktspannung UCPD zwischen Spitze und Probe. Die langreichweitige Dissipation GE ist proportional zu U2Spitze-Probe. Daher ist der D - Kontrast abhängig von UCPD . Die Kontaktspannung erzeugt außerdem eine elektrostatische Wechselwirkung, die die Resonanzfrequenz des Cantilevers verschiebt. Dadurch wird die Kontrastbildung im Bild der Topographie abhängig von der lokalen Struktur der Oberfläche. Einen großen Einfluss auf die Kontrastbildung im dynamischen Modus haben die Spitzengeometrie, die Schwingungsamplitude und der mittlere Spitze - Probe - Abstand. Alle drei Faktoren bestimmen den Anteil der langreichweitigen gegenüber der kurzreichweitigen Wechselwirkung. Die Kontrastbildung bei atomarer Auflösung wurde anhand der Si (111) 7 x 7 - Oberfläche untersucht. Der Bildkontrast wird empfindlich von der angelegten Spannung zwischen Spitze und Probe beeinflusst. Je nach Wahl der extern angelegten Spannung sind Aufladungen von den Dotierungs - Atomen und den sie umgebenden Bildladungen sichtbar. Atomare Auflösung ist nur in einem sehr kleinen Abstandsbereich möglich. Der Abstand entspricht in etwa den Abständen in der RTM, wie gleichzeitige Aufnahmen des Tunnelstroms zwischen Spitze und Probe belegen. Mit abnehmendem Spitz-Probe-Abstand wechselt der Kraftgradient das Vorzeichen. Wurden die Atome vorher als Erhebungen abgebildet, werden sie im Abstandsbereich kurzreichweitiger starker repulsiver WW als Löcher dargestellt (Kontrastinversion). Die Summe der Wechselwirkung bleibt aufgrund des großen langreichweitigen Anteils stets attraktiv. Die unterschiedlichen Kontrastbereiche konnten sowohl anhand der Si (111) 7 x 7 - Oberfläche als auch anhand der Au (111) 22 (± 1) x Ö 3 - Oberfläche nachgewiesen werden.

For the past decades, Kelvin probe force microscopy (KPFM) developed from a sidebranch of atomic force microscopy to a widely used standard technique. It allows to measure electrostatic potentials on any type of sample material with an unprecedented spatial resolution. While the technical aspects of the method are well understood, the interpretation of measured data remains object of intense research. This thesis intends to prove an advanced view on how sample systems which are typical for ultrahigh resolution imaging, such as organic molecular submonolayers on metals, can be quantitavily analysed with the differential charge density model. In the first part a brief introduction into the Kelvin probe experiment and atomic force microscopy is given. A short review of the theoretical background of the technique is presented. Following, the differential charge density model is introduced, which is used to further explain the origin of contrast in Kelvin probe force microscopy. Physical effects, which cause the occurence of local differential charge densities, are reviewed for several sample systems that are of interest in high resolution atomic force microscopy. Experimental evidence for these effects is presented in the second part. Atomic force microscopy was used for in situ studies of a variety of sample systems ranging from pristine metal surfaces over monolayer organic adsorbates on metals to ferroelectric substrates both, with and without organic thin film coverage. As the result from these studies, it is shown that the differential charge density model accurately describes the experimentally observed potential contrasts. This implies an inherent disparity of the measurement results between the different Kelvin probe force microscopy techniques; a point which had been overseen so far in the discussion of experimental data. Especially for the case of laterally strong confined differential charge densities, the results show the opportunity as well as the necessity to explain experimental data with a combination of ab initio calculations of the differential charge density and an electrostatic model of the tip-sample interaction.

For the past decades, Kelvin probe force microscopy (KPFM) developed from a sidebranch of atomic force microscopy to a widely used standard technique. It allows to measure electrostatic potentials on any type of sample material with an unprecedented spatial resolution. While the technical aspects of the method are well understood, the interpretation of measured data remains object of intense research. This thesis intends to prove an advanced view on how sample systems which are typical for ultrahigh resolution imaging, such as organic molecular submonolayers on metals, can be quantitavily analysed with the differential charge density model. In the first part a brief introduction into the Kelvin probe experiment and atomic force microscopy is given. A short review of the theoretical background of the technique is presented. Following, the differential charge density model is introduced, which is used to further explain the origin of contrast in Kelvin probe force microscopy. Physical effects, which cause the occurence of local differential charge densities, are reviewed for several sample systems that are of interest in high resolution atomic force microscopy. Experimental evidence for these effects is presented in the second part. Atomic force microscopy was used for in situ studies of a variety of sample systems ranging from pristine metal surfaces over monolayer organic adsorbates on metals to ferroelectric substrates both, with and without organic thin film coverage. As the result from these studies, it is shown that the differential charge density model accurately describes the experimentally observed potential contrasts. This implies an inherent disparity of the measurement results between the different Kelvin probe force microscopy techniques; a point which had been overseen so far in the discussion of experimental data. Especially for the case of laterally strong confined differential charge densities, the results show the opportunity as well as the necessity to explain experimental data with a combination of ab initio calculations of the differential charge density and an electrostatic model of the tip-sample interaction.