Invented at IBM byGerd Binning andHeinrich Rohrer

STM of silicon-Si(111)7x7reconstruction

2nm

SPM Family Tree

Principi fondamentali delle tecnicheSPM (STM & AFM)

Le tecniche SPM si basano su una sonda molto sottileposizionata in un intervallo di pochi nanometri al di sopra della superficie di interesse. Quando la sonda trasla lateralmente (scanning) rispetto al campione, qualsiasivariazione nell’altezza della superficie fa cambiare ilsegnale rivelato dalla sonda.Scansionando la sonda sulla superficie mentre si misura una qualche interazione fra sonda e superficie si ottiene una mappa 3-D del profilo della superficie. Segnali sonda che sono stati utilizzati per studiare le superfici comprendono la corrente elettronica di tunneling(STM), le forze interatomiche (forza di van der Waals,AFM), la forza magnetica (MFM), la forza elettrostatica (EFM), le forze di attrito (FFM), etc.I segnali sonda dipendono così fortemente dall’interazione sonda-campione che si possono rivelare variazioni dell’altezza sul substrato di ~0.1Å con una risoluzione laterale sub-micrometrica.

Schema di un generico SPMGli SPM vengono usati per studiare la topografia superficiale e leproprietà dei materiali dal livello atomico a quello micrometrico.

Scanner

Sonda

Sensore del moto della sonda

Isolamento dalle vibrazioni

ElettronicaComputer

Scanner piezoelettrici

Meccanismo di scansione in (x, y) della superficie in un generico SPM

Punta

Rivelazione ottica della deflessione della leva

Il fascio laser viene riflesso dal cantilever e inviato a un fotodiodo. Man mano che la leva scansiona il campione si piega e la posizione del fascio laser sul detettore si sposta. La deflessione del cantilever misura la forza verticale fra la punta e il campione.L’altezza del campione si misura registrando lo spostamento verticale della punta mentre si mantiene costante la deflessione del cantilever.

Le mappe topografiche 3-D della superficie si costruiscono plottando l’altezza locale in funzione della posizione orizzontale della punta.

scanner piezoelettrico

Detettore afotodiodi

L’AFM misura le forze interatomiche che si esercitano tra la punta e il campione.

Dimensioni tipiche dei cantilever

vista dall’alto

L1

b

d d

2θL

t2θb

cantilever punta

vista laterale

Valori tipici :b= 150 μmθ=35o

L=200 μmL1=150 μmt =0.6 μmd = 18 μm

Cantilever e punte per microscopia a forzaatomica microfabbricate

Misura dello spostamento : deflessione del fascio ottico

Fotodiodosegmentato

cantilever

fascio laser

punta

FORZA NULLA :

specchio

δ=0

FORZA REPULSIVA : FORZA ATTRATTIVA :

A BC D

δ>0

A BC D

A BC D

δ<0

AFM : Modi di operare

A contatto (DC e AC) : Modulazione di forza

A contatto intermittente : tapping (AC)

Non a contatto (AC)AC=dinamico(la punta vien messain oscillazione), DC=statico(nessuna oscillazioneesterna sulla punta)

NanoindentazioneUsando una punta di diamante si può indentare una superficie e immediatamente visualizzare l’indentazione. Usando cantilever per indentazione, è possibile indentare diversi campioni con la stessa forza per confrontare le proprietà di durezza.

Punta di diamante

foglio metallico

200nm

Indentazioni su due diversi film di carbonio diamond-like usando tre diverse forze (23, 34, and 45μN) con quattro incisioni per ogni forza per confrontare la diversità di durezza.

Le profondità di indentazione sono maggiori per il film più soffice (destra).

Scratch test

SFM: Funzionalizzazione punta

ChFM (Chemical Force Microscopy )

La punta può essere funzionalizzata con una data specie chimica (‘azzurro’) e scansionata sul campione; si misura il segnale LFM: una forte adesione dà luogo a un contrasto luminoso, permettendo di mappare il legame chimico (riconoscimento) fra le specie sulla punta e quelle sul campione. Una seconda punta funzionalizzata in modo diverso ‘blu’ viene usata per ottenere l’immagine della stessa superficie.

A.

B.

δ1=0

δ2<0

δ3<0

δ4>0

C.

D. D.

E.

F.

G.

ANDATA : campione e punta siavvicinano• A: punta e campione non a contatto, nessuna interazione, cantilever non deflesso, forza nulla(F=0)• B/C: l’interazione attrattiva spingela punta sulla superficie e la puntava a contatto, instabilità meccanicadel cantilever• D: contatto, assenza di indentazione, punta e campione simuovono insieme (Ds/Dz=1)

RITORNO : campione e punta siallontanano• D: contatto repulsivo, la punta siflette in su• E: forza attrattiva (adesione) mantiene la punta attaccata allasuperficie, la punta si flette in giù• F: la punta si ritrae dallasuperficie, instabilitàdel cantilever • G: come nella regione A

FEEDBACK INATTIVO

Spettroscopia di forza

Curva forza-distanza

Indentazione plastica a carico zero

Deformazione elastica a carico zero

Area racchiusa = lavoro della forza di adesione

Spettri di forza del DNA

Misura della forza di legame fra coppie di oligonucleotidi del DNA:

Coppie non complementari

Due coppie complementari

Coppia complementare

Allungamento del DNA

Un estremo di una elica di DNA viene attaccata alla punta mentre l’altro estremo è attaccato alla superficie del campione usando tioli.

Allungamento del DNA

Identificazione del DNA

Le basi A e G del DNA sono attaccati acantilever adiacenti.Quando le coppie di basi T o C vengono aggiunte alla soluzione si misura la deflessione.

Ibridazione selettiva