microscopia de fuerza atomica (AFM)

Microscopía de Fuerza Atómica (AFM)

Pablo Levy / levy@cnea.gov.ar
Clase AFM escuela nodoPAV-MaN

febrero 2010

El AFM es uno de las varios técnicas llamadas SPM
(Scanning Probe Microscopes)
El primero de la familia fue el STM (Microscopio de tuneleo)
inventado en los 80´por Binning & Rohrer (Nobel Física 1986)
La resolución de los microscópios ópticos está determinada
por ladifracción de la luz y tipicamente es de ≈ 200 nm.
La microscopía electrónica con electrones de alta energía
permite aumentar la resolución, pero requiere que la muestra
se examine en alto vacio.
Los SPM generan imágenes ¨sintiendo/tocando¨ más que
¨mirando¨ la muestra.
Se basan en medir cambios en la magnitud de la interacción
entre una punta (probe) y la superficie de la muestra.Ejemplos...!

DVD

4 micrones

CD

4 micrones

Fundamentos básicos del AFM
Energía de interacción entre dos átomos o moléculas

∂W (r )
F (r ) = −
∂r

  σ  6  σ 12 
Potencial de
W (r ) = ε −   +   
  r   r  
Lennard-Jones

Energía de interacción entre
un átomo y una superficie

D

W =−

ρ

πCρ
6D

3

Energía de interacción entre
una esfera y unasuperficie

ρ1
R

D

ρ2

π Cρ1 ρ 2
2

W =−

6D

ρ ≈ 1023 cm-3 ; C ≈ 10-77 J.m6 → F ≈ 10-9-10-10 N

¿Cómo una sonda (punta) puede ¨ver¨ (sentir) una muestra?

Punta
(probe)

Superficie
(muestra)
”Siente” la fuerza de atracción o repulsión con la misma

¿Cómo se pueden medir fuerzas tan pequeñas?
Midiendo la elongación de un resorte con una
constante de fuerza muy pequeña→

Midiendo la deflexión de un cantilever

Un pedazo de foil de aluminio

1

m
m

4 mm

F
∆x

F = k∆x
k ~ 1 N/m

F

Para medir fuerzas del orden de 10-10 N tengo que poder
medir deflexiones del orden de 10-10 m (0,1 nm = 1 Å)

El AFM
laser

espejo

cantilever

fotodiodo

mica
piezo

mostrar animación ↑

Detección óptica de la deflección del laserI_Tips (...detección)
Se obtienen por microfabricación y
microetching:
*silicio
*nitruro de silicio
*diamante
**recubrimientos...

II_Cantilevers...(amplificación)

Scanners piezoeléctricos
Cerámicos piezoeléctricos que varían su forma al aplicarles
un campo eléctrico. En AFM se usa generalmente los del
tipo PZT (zirconatos de plomo y titanio)

Se logran desplazamientos con unaprecisión de 0,1 nm

Modos de operación de un AFM

AFM modo contacto
scan

AFM modo tapping
scan

Barrido de una línea, formando plano XY

Image

5 nm

Scan line
Tip
0 nm

Substrate
Molecules

Curva Fuerza-distancia idealizada

Condiciones ideales de
operación de contacto

Condiciones de operación
de no-contacto

Fuerzas capilares y de adhesión

Ventajas del modotapping
AFM modo contacto (1986)
•Fuerza vertical pequeña, pero el arrastre de la muestra sobre la
superficie provoca fuerzas laterales
•Muestras debilmente unidas se mueven facilmente
•Imagenes poco claras

•AFM modo tapping (1993)
•Contacto intermitente
•Superficies blandas rigidisadas por respuesta viscoelastica
•Impacto predominantemente vertical, gran fuerza vertical, pero
no hayfuerza lateral
•Resolución lateral mejorada

Mostrar modos Presentation

Efectos relacionados con el tip:
ARTIFICIOS
Ensanchamiento de
la imagen por efecto
del ancho del tip

La resolución espacial depende del tamaño del tip
Scan direction

Tip
Rc
R’c

2Rm

W

W = 4( Rc + Rm ) Rm (Rc − Rm ) / Rc

for Rc > Rm

Resolución espacial
A

B
Scan direction

Tip

Tip∆z
Rc

∆h
∆z

Rc

Inverted Tip
Surfaces
Sample
Spikes

d

d

(

)

d = 2Rc ∆z + ∆z + ∆h

for d > 2Rc∆h

Nanoscale caliper for direct measurement of
scanning force microscopy probes

Efecto de multiple tip
ARTIFICIOS

Imagen del polisacárido
arabinoxilano

Propiedades y usos de los cantilevers
k (N.m-1)

F (kHz)

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