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Milano, 21 Marzo 2006 1

La Microscopia a Forza Atomica

Giovanni Domenico Aloisi

[email protected]


La Microscopia AFM

• Appartiene alla famiglia delle microscopie a

scansione di sonda (SPM )

• La più diffusa

• In evoluzione costante


Tratteremo:

• Principio di funzionamento e prestazioni

• Applicazioni rispetto alla Microscopia SEM

• Tipi di forze che possiamo misurare

• Evoluzione tecnologica

• Da sonda a manipolatore


Il Funzionamento

• La leva

• La punta

• Il traslatore

• Il sistema di feedback e di scansione


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


Contatto e Non Contatto • Contatto

• Contatto intermittente (tapping, DI)

• Non contatto

• Non contatto Phase Shift

• Non contatto Lift Off (DI)


Effetto del Menisco


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


Misura dell’ Altezza

GaP depositato su Silicio per MBE

SEM: la barra indica 1 um

AFM: scansione 10um x 10um


Accessibilità


Profondità di Campo

Immagine di Fibre di polietilene (a)

Immagine di cristallo di Y2O3 (b)


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


Lenti a Contatto

Scansioni su lenti a contatto:

In alto 1 um x 1um

In basso 15 um x 15 um


Alta Risoluzione

18 nm scan di due molecole in soluzione fisiologica

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


DNA plasmidico, 4362 coppie di basi

C.Neto, Tesi di Laurea, [email protected]


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


Adesione: phase shift

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

Scan 5 um, polimero in matrice


Forza Magnetica (MFM)

Immagine AFM e MFM di superficie di hard disk

Dimensioni 25 um


Forza Elettrica (EFM)

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


Temperatura Superficiale (SThM)

90 um scan di celle di memoria


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)


Nanolitografia su Silicio

E.Dubois, J.-L.Bubbendorf,

Solid State Electronics, 43,1999,1085


Nanolitografia su Film di Titanio

E.Dubois, J.-L.Bubbendorf,

Solid State Electronics, 43,1999,1085


Nanolitografia su Oro

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


Sistemi micro-elettromeccanici (MEMS)

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


Applicazione

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

areal densities up to 200 Gb/in²


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

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