Alcuni tipi di SPM

Si possono realizzare numerosi “tipi” di SPM in funzione del tipo di sonda e di proprietà fisica sondata

Introduzione: Scanning Probe Microscopy (SPM)

Scanning: scanner piezoelettrici

Probe: punta in grado di sondare proprietàlocali

Microscopy: risoluzione sub-micrometrica

(+ sistema per controllare la distanza punta/campione + elettronica per il funzionamento dello strumento)

Sviluppato a partire da anni ’80 grazie alla disponibilità di:

Scanner piezoelettrici con risoluzione sub-nm;

Sonde di dimensioni sub-nm

Diverse proprietà fisiche locali possono essere misurate punto per punto in unascansione a rastrello e si possono ricostruire una (o più) mappe

Preparazione delle punte STM ed artefatti topografici

In genere, le punte sono fili metalliciappuntiti tramite etching elettrochimico

La geometria della punta puòfacilmente indurre artefattitopografici

Modi di operazione dell’STM

Feedback loop necessario permantenere costante la corrente ditunnel

Vantaggi e limiti dell’STM

Esempio di applicazione a campioni biologici

Possibilità di risolvere spazialmente ladistribuzione elettronica legata adifferenti atomi, cioè di “vedere” gliatomi

Virtualmente, nessuna necessità dipreparazione dei campioni e possibilità dioperare in aria

Non si applica facilmente a materialicon scarse proprietà di conduzione

Immagini STM di DNA nel vuoto

Introduzione alla litografia con sonda di scansione

Patterning ad elevata risoluzione con sonde di scansione

- Patterning chimico e molecolare- Patterning meccanico

•Scratching•Nanoindentazione

- Riscaldamento locale- Applicazione tensione

•Ossidazione•Esposizione del resist agli elettroni

- Manipolazione di nanostrutture

Fattori importanti nella litografia a sonda di scansione- Risoluzione- Allineamento- Affidabilità- Resa

Elettrodeposizione locale

Pulse Voltage

Nano-ossidazione

La larghezza di riga è una f(umidità): sinistra=61%, destra=14%

Pattern disegnato con SiO2 su Si, per ossidazione locale, usando un nanotubocome punta conduttrice di un AFM.

Scansioni di grandi aree: array di cantilever•10μm x 10μm richiede solo 1 minuto

• Una scansione di 1mm2 richiede 1*104

minuti = 7 giorni

• Con 100 leve, il tempo totale è meno di 2 ore.

The Millipede

Tecnica termomeccanicaper memorie ad altissima densità di informazione

32 x 32 AFM cantilever

Le variazioni di temperatura durante la scansione servono per “leggere” i bit “scritti” in precedenza

Introduzione: nanomanipolazione con SPM

Obiettivi generali:Sfruttare le possibilità di controllo subnanometrico della posizione della sonda per (e.g.):• Manipolare (la posizione) di nanoparticelle o unità elementari su superfici;• Produrre modificazioni locali di substrati (indentazioni, reazioni chimiche, litografie, etc.)

Nanomanipolazione edimaging con le stessetecniche

Corrente di tunnelingcostante: si alza la punta

La punta viene abbassata sull’atomo e lo sposta

Costruzione di molecole

Un gruppo di sei molecole (1) viene prima disordinato (2) con la punta dell’STM.Una molecola dopo l’altra viene spinta dalla punta (2 - 5).Si forma un anello (6) che non si troverebbe normalmente in natura.

Manipolazione laterale e ricostruzione substrato

Possibilità dimanipolare atomi delsubstrato o di filmmolecolari

Immagine STM di un monostrato di molecole HB-DC sulla superficie Cu(100)

Immagine STM che mostra lo spostamento di un singolo atomo di Cu parallelamente e perpendicolarmente a uno “step” (100)

Con ricoprimenti inferiori ci sono dei vuoti e le molecole in siti a simmetria inferiore ruotano (a); spostando la molecola in un sito a simmetria piùalta (di 0.26 nm) si osserva nuovamente la simmetria a sei lobi (molecola ferma b)

Manipolazione verticale

Molecole (o atomi) “sollevati” e “riappoggiati” tramite variazioni dellacorrente di tunneling

Punta pulita: le molecole adsorbite appaiono come depressioni.

Dopo il trasferimento delle molecole alla punta le molecole appaiono sporgenti (contrasto chimico).

Nanomodificazioni con STM

Il campo elettrico creato dalla punta “eccita” difetti la cui posizione spaziale può essere nanomanipolata

Migrazione di tre vacanze di P su una superficie GaP(110) indotte dalla punta dell’STMImmagini STM acquisite in successione ogni 8 s.

Nanomodificazioni con STM

Nanomanipolazione di atomi di Xe

I campi elettrici associati con STM (soprattutto in field-emission mode) vengono usati per indurre “reazioni” locali

Nanomodificazioni con STM

Reazionielettrochimiche“controllate”localmente da STM

“Dip pen” con AFM

Ulteriore possibilità degli SPM:

Uso di punte funzionalizzate con gruppimolecolari

Modificazioni superficiali (locali) di substratimolecolari

Nanoscrittura tramite nano-funzionalizzazione

A) Pattern con risoluzione ultra elevata di acido mercaptoesanoico su superficie d’oro. B) Nanostruttura multicomponenti generata tramite DPN con due pattern di alcantioli allineati. C) Discorso di Richard Feynmannscritto con un nanoplotter DPN.

Dip-pen nanolithography

Alcune possibili applicazioni di DPN.