Milano, 21 Marzo 2006 1

La Microscopia a Forza Atomica

Giovanni Domenico Aloisi

aloisi@unifi.it

Milano, 21 Marzo 2006 2

La Microscopia AFM

• Appartiene alla famiglia delle microscopie a

scansione di sonda (SPM )

• La più diffusa

• In evoluzione costante

Milano, 21 Marzo 2006 3

Tratteremo:

• Principio di funzionamento e prestazioni

• Applicazioni rispetto alla Microscopia SEM

• Tipi di forze che possiamo misurare

• Evoluzione tecnologica

• Da sonda a manipolatore

Milano, 21 Marzo 2006 4

Il Funzionamento

• La leva

• La punta

• Il traslatore

• Il sistema di feedback e di scansione

Milano, 21 Marzo 2006 5

Codice Topometrix

#1520

#1660

Applicazione

CONTATTO

NON-CONTATTO

Geometria leva

Triangolare(due leve)

rettangolare

L- lunghezza del braccio (m)

100

225

W- Ampiezza del braccio (m)

22

30-45

TH- Spessore (m)

0.6

6-8

Costante di forza (N/m)

0.37

24-85

Frequenza di risonanza nominale

(KHz)

66

160-220

Materiale punta

Si3N4

Si

Geometria della punta

4m base, 4m altezza

3-6 m base, 10-20m altezza

Raggio della punta

< 50 nm

< 20 nm

La Sonda

Milano, 21 Marzo 2006 6

Contatto e Non Contatto • Contatto

• Contatto intermittente (tapping, DI)

• Non contatto

• Non contatto Phase Shift

• Non contatto Lift Off (DI)

Milano, 21 Marzo 2006 7

Effetto del Menisco

Milano, 21 Marzo 2006 8

Leve piezoresistive

Costante di Forza: 1 N/m

Frequenza Rison.: 38 KHz

Lunghezza: 300 um

Altezza Punta: 2 um

Resistenza: 2 KOhm

Sensibilità: 1x10-6 nm-1

Milano, 21 Marzo 2006 9

Misura dell’ Altezza

GaP depositato su Silicio per MBE

SEM: la barra indica 1 um

AFM: scansione 10um x 10um

Milano, 21 Marzo 2006 10

Accessibilità

Milano, 21 Marzo 2006 11

Profondità di Campo

Immagine di Fibre di polietilene (a)

Immagine di cristallo di Y2O3 (b)

Milano, 21 Marzo 2006 12

Ambiente di Misura

• In aria senza coating del campione

• In liquido con una cella apposita

Cubosomi in Liquido

C.Neto, et al. J.Phys.Chem.B 103,1999,3896

Cella liquidi Explorer Topometrix

Milano, 21 Marzo 2006 13

Lenti a Contatto

Scansioni su lenti a contatto:

In alto 1 um x 1um

In basso 15 um x 15 um

Milano, 21 Marzo 2006 14

Alta Risoluzione

18 nm scan di due molecole in soluzione fisiologica

Risoluzione di 0,1 nm. FEBS Letters 381,1996,161

Milano, 21 Marzo 2006 15

DNA plasmidico, 4362 coppie di basi

C.Neto, Tesi di Laurea, chiaran@csgi.unifi.it

Milano, 21 Marzo 2006 16

Oltre la Struttura

• Il SEM permette di determinare la

composizione chimica locale dallo spettro

energetico della fluorescenza X

• L’AFM permette di determinare quantità

chimico fisiche locali

Milano, 21 Marzo 2006 17

Adesione: phase shift

Scan 2 um, film polietilene Scan 3 um, polpa di legno

Scan 5 um, polimero in matrice

Milano, 21 Marzo 2006 18

Forza Magnetica (MFM)

Immagine AFM e MFM di superficie di hard disk

Dimensioni 25 um

Milano, 21 Marzo 2006 19

Forza Elettrica (EFM)

J.Hu et al. Science, 268,1995,476

Milano, 21 Marzo 2006 20

Potenziale Superficiale (SPI)

10 um scan di bordo di grani di ZnO in un Varistor

Polarizzato a 0V, +4V e –4V

Copyright © 1996 Prof. Iain D. Baikie Robert Gordon University, Aberdeen, Scotland

Milano, 21 Marzo 2006 21

Temperatura Superficiale (SThM)

90 um scan di celle di memoria

Milano, 21 Marzo 2006 22

Da Sonda a Manipolatore della Superficie

• Misure di durezza superficiale

Indentazione di film di oro (3 um)

Film di carbonio: 23,34,45 uN (0,5 um)

Milano, 21 Marzo 2006 23

Nanolitografia su Silicio

E.Dubois, J.-L.Bubbendorf,

Solid State Electronics, 43,1999,1085

Milano, 21 Marzo 2006 24

Nanolitografia su Film di Titanio

E.Dubois, J.-L.Bubbendorf,

Solid State Electronics, 43,1999,1085

Milano, 21 Marzo 2006 25

Nanolitografia su Oro

R.Piner et al, Science 283,1999,661

Milano, 21 Marzo 2006 26

Sistemi micro-elettromeccanici (MEMS)

www.zurich.ibm.com/st/mems/

Milano, 21 Marzo 2006 27

Applicazione

www.zurich.ibm.com/st/mems/

areal densities up to 200 Gb/in²

Milano, 21 Marzo 2006 28

Conclusioni

• La Microscopia a Forza Atomica esemplifica bene la necessità di “toccare con mano” le proprietà della superficie.

• L’AFM è complementare con il SEM

• Tecnica ben collaudata per misure precise di struttura superficiale

• Applicabile per misure di un ampio spettro di proprietà chimico-fisiche superficiali

• In intenso sviluppo per la nano manipolazione di superfici