Microscopie a Sonda Scanning Probe Microscopies (SPM)

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1 Microscopie a Sonda Scanning Probe Microscopies (SPM) ampia classe di tecniche per l analisi microscopica delle superfici eseguono una mappatura della superficie del campione grazie alle interazioni fra la sonda (probe) e la superficie sonde sensibili alle proprietà locali della superficie (altezza, conducibilità elettrica, magnetismo ) non fanno uso di lenti per ingrandire non ci sono effetti di diffrazione che limitano la risoluzione la risoluzione dipende dalla dimensione del probe (sonda) esempi: Microscopia ad effetto Tunnel Scanning Tunneling Microscope (STM) (G. Binnig & H. Rohrer, 1981) Microscopia a Forza magnetica Magnetic Force Microscope (MFM) (J. A. Sidles et al., 1992) Microscopia a Forza Atomica Atomic Force Microscope (AFM) (G. Binnig et al., 1986) prospettive future sonde opportunamente funzionalizzate (interazioni chimiche specifiche) 1

2 Microscopie a Sonda -SPM- ingrandimenti tali da permettere di vedere la struttura atomica della materia risoluzione LM 20 nm SEM 5 nm TEM 0.1 nm SPM < 0.1 nm 2

3 Microscopi a Sonda strumenti per l analisi delle superfici permettono di misurare localmente l interazione tra una sonda materiale microscopica ed una regione piccola di una superficie (o di oggetti su essa deposti) la sonda opera una scansione (tipo raster) della superficie indispensabile la tecnologia dei piezoelettrici (permette movimenti di angstrom) scansione raster la superficie del campione viene suddivisa in una griglia di punti l immagine risultante consiste di righe consecutive di informazioni (interazioni locali ) meccanismo tipo schermo catodico la mappa delle interazioni locali forma un immagine topografica della superficie differenti di interazioni sono utilizzate nelle differenti microscopie 3

4 Microscopie a Sonda possono lavorare anche in presenza di liquidi tipi di interazione sonda campione risoluzione materiali analizzabili Microscopia ad effetto tunnel Scanning Tunneling Microscopy (STM ) misura il passaggio di corrente dovuto all effetto tunnel Vertical resolution < 0.1 Å Lateral resolution ~ 1 Å conduttori Scanning Force Microscopy (SFM ) Microscopia a Forza Atomica Atomic Force Microscopy (AFM) misura le forze di attrazione/repulsione interatomiche Microscopia a Forza Magnetica Magnetic Force Microscopy (MFM ) misura la forza magnetica Microscopia a Scansione di Capacità Scanning Capacitance Microscope (SCM) misura la capacitanza sviluppata all avvicinarsi della sonda al campione Vertical resolution < 1 Å *Lateral resolution ~ 10 Å Vertical resolution ~ 1 Å Lateral resolution ~ 100 Å Vertical resolution ~ 2 Å Lateral resolution~ 5000 Å conduttori insolanti magnetici conduttori & solidi 4

5 modi di operare in SPM ad interazione costante ad altezza costante 5

6 movimenti basati su cristalli piezoelettrici cristallo piezoelettrico controllo dei piezoelettrici con sistema a feedback mantiene costante interazione/distanza probe-campione Δ l V per i movimenti di probe/campione cristalli piezoelettrici per il movimento del probe V = 0 V 0 applicando un voltaggio opposto a due quadranti si ha un piegamento sistema a 4 cristalli (4 quadranti) applicando lo stesso a voltaggio a tutti i quadranti si ha un espansione 6

7 sonde per SPM la sonda è la parte più importante dello strumento è sensibile all interazione locale (la grandezza che si misura) immagini SEM più è sottile la sonda, maggiore è la risoluzione! sonde AFM normal tip ( Albrecht, 1990) piramide alta 3µm, raggio di curvatura ~30 nm "supertip" affilat a con fascio elettronico (electron-beam-deposited EBD-) punta lunga e sottile (utile per superfici molto rugose), raggio di curvatura <30 nm ultralever ottenuta con un processo microlitografico alta 3µm, raggio di curvatura ~10 nm 7

8 sonde per SPM di ultima generazione sonda AFM normale + nanotubo nanotubi come sonde SFM SFM = Scanning Force Microscopy nanotubo vantaggi: sono molto resistenti e robuste si piegano reversibilmente e con facilità hanno un raggio di curvatura basso 1nm il tipo di sonda dipende dal tipo di interazione che si sfrutta nella tecnica SPM: STM = sonde conduttrici MFM = sonde magnetiche SFM (AFM) = sonde isolanti/diamagnetiche 8

9 risoluzione nelle tecniche SPM più piccolo è il raggio di curvatura della sonda maggiore la risoluzione* il diametro apparente di un oggetto circolare dipende dal raggio di curvatura della sonda * meno stringente in STM diametro apparente (w) di un oggetto circolare deformazione delle dimensioni dovuta alla dimensione finita della sonda (punta parabolica, R tip >R sample ) raggio apparente (x) più affilata è la sonda migliore è la risoluzione 9

10 risoluzione in AFM in generale: l immagine risultante è una deconvoluzione della forma sia della punta che della superficie ma per superfici troppo ruvide (grandi differenze in altezza) l immagine della superficie rappresenta, invertita, la superficie della punta 10

11 Microscopia ad effetto tunnel STM Binnig & Rohrer (IBM Research, Zurich) 1981 Nobel Prize in 1986 tra due conduttori, posti ad una certa differenza di potenziale, può passare una corrente elettrica misurabile anche se essi non sono a contatto (effetto tunnel) entrambi conduttori effetto tunnel le funzioni d onda elettroniche di un conduttore si estendo oltre la superficie del conduttore sonde in W, Au, Pt, Ir (da EBD o etching elettrochimico) se due conduttori sono abbastanza vicini le funzioni d onda elettroniche si sovrappongono e si ha passaggio di corrente TUNNELING CURRENT l intensità di corrente varia esponenzialmente con la distanza sonda-campione 11

12 modi di operare in STM a corrente (interazione) costante ad altezza costante il piezoelettrico che varia z avvicina/allontana la sonda tenendo constante l intensità di corrente durante la scansione (attivo circuito di feedback) il piezoelettrico che varia z mantiene la sonda ad altezza costante durante la scansione (circuito di feedback disattivato) FB = feedback si misurano le variazioni di z si misurano le variazioni di corrente prima tecnica capace di ottenere immagini a risoluzione atomica nello spazio reale 12

13 isolamento dalla vibrazioni risoluzione delle immagini STM 0.1 Å verticalmente (z) 1.0 Å lateralmente (x, y) massimi valori del rumore di fondo: 0.01 Å in (z) 0.1 Å in (x, y) vibrazioni tipiche del suolo ~ µm (con frequenze nel range Hz) sistema antivibrante per lo smorzamento delle oscillazioni riduce le vibrazioni esterne di un fattore utilizzato in tutte le tecniche SPM 13

14 come è fatto un STM apparato per la scansione motore a step con sistema di scorrimento inerziale 14

15 immagini STM superficie di grafite è evidente l arrangiamento esagonale degli atomi di carbonio nella struttura cristallina unità esempio scan area: 53 Å x 53 Å prima tecnica capace di ottenere immagini a risoluzione atomica nello spazio reale 15

16 immagini STM risoluzione atomica molecole di benzene co-adsorbite con CO su Rh è anche possibile manipolare i singoli atomi di una superficie variando l intensità di corrente calcoli della configurazione elettronica del benzene legato al Rh prevedono che la simmetria del benzene sia trigonale piuttosto che esagonale omino di CO su Pt in generale: strati sottili (mono layer) di molecole non conduttrici (p.e. benzene) poste su di una superficie conduttrice sono osservabili ma devono essere immobilizzate sulla superficie (p.e. CO si lega alla superficie e al benzene) 16

17 immagini STM molecole di alcani (C 20 C 40 ) adsorbite su grafite orientata morfologia & struttura monolayer di C 44 su grafite orientata scansione in soluzione (ottano) formano un monolayer di molecole parallele in conformazione trans (primo step dell organizzazione cristallina) disposizione epitassiale rispetto alla grafite che ha una periodicità simile (2.46 Å) è possibile verificare che le variazioni di intensità lungo l asse molecolare corrispondono all asse di ripetizione in catena (2.54 Å) negli alcani lineari 17

18 immagini STM morfologia & struttura monolayer di poli(γ-benzil-l-glutammato)*, PM 70000, assorbito su grafite le catene di PBLG presentano comportamento LC liotropico in soluzione (DMF) presentano arrangiamento ordinato la conformazione elicoidale delle catene polipeptididiche è chiaramente evidente immagine originale * PBLG = polipeptide a catena rigida in conformazione α-elica trasformata di Fourier dell immagine originale 18

19 Scanning Force Microscopy (SFM ) Microscopia a Forza Atomica (AFM) tecnica più diffusa fra SFM misura le forze di attrazione/repulsione (forze di van der Waals) che si originano durante la scansione fra gli atomi della sonda e della superficie campione una sonda solida microscopica è posta a contatto con la superficie del campione la sonda è integrata su di una leva molto flessibile (cantilever), che si flette mentre la sonda segue le asperità della superficie la forza di interazione tra la sonda ed il campione è misurata dalla deflessione della leva i movimenti della leva sono registrati con un sistema ottico (laser/fotodiodi) 19

20 Microscopia a Forza Atomica (AFM) meccanismo di funzionamento simile a quello del profilometro modi di operare in AFM Contact Mode: la sonda è a contatto diretto con il campione Non-contact Mode: la sonda è ad una distanza fissa dalla superficie del campione Tapping mode: la sonda fa oscillazioni sinusoidali sulla superficie (contatto intermittente) forza di van der Waals vs distanza sonda-campione agiscono le forze repulsive agiscono forze repulsive&attrattive profilometro AFM in pratica somiglia al vecchio sistema di lettura dei dischi di vinile (fonografo di Edison) migliorato al punto da permettere una risoluzione atomica agiscono le forze attrattive 20

21 rivelatori in AFM sistema ottico per misurare i movimenti del cantilever il cantilever è colpito da un raggio laser che viene riflesso forza d impatto del flusso di fotoni è bassa e mediata sulla superficie del cantilever B il movimento angolare del cantilever provoca una deflessione angolare (doppia) nel raggio laser riflesso un secondo fotodiodo (B) misura i movimenti laterali del cantilever il raggio laser riflesso dal cantilver colpisce un fotodiodo che misura la deviazione angolare del fascio l ingrandimento è dovuto alla grande distanza diodo-cantilever che trasforma i piccoli movimenti angolari del cantilever in grandi deflessioni angolari del raggio laser riflesso verso il fotodiodo 21

22 cantilever in AFM caratteristiche del cantilever 1 esercitare la minima forza possibile sul campione (evitare distorsioni e danni) per scanning non distruttivi 10nN 10pN la funzione del cantilever è simile a quella di una molla immagini SEM 2 necessaria bassa costante elastica avere una rapida risposta alla deformazione frequenza di risonanza elevata frequenza di risonanza constante di forza massa massa del cantilever deve essere bassa frequenza di risonanza elevata migliori immagini in Si o Si 3 N 4 ricoperti di oro il cantilever deve essere molto flessibile e di massa ridotta 22

23 Contact Mode laser & fotodiodo misurano la variazione della flessione del cantilever con la scansione il circuito di feedbeck riaggiusta la forza applicata al cantilever la forza applicata al cantilever è tenuta costante il cantilever oscilla con frequenza fissata Non-contact Mode laser & fotodiodo misurano le variazioni di oscillazione dovute alle interazione con la superficie feedback riaggiusta l ampiezza dell oscillazione tenendola costante la distanza sonda-campione è costante (in media) in tapping mode procedura simile 23

24 Microscopio a Forza Atomica (AFM) dimensioni reali di un AFM cella di scansione con sistema antivibrante 24

25 versatilità della tecnica AFM cristalli di Sb2O3 depositati su grafite scan area: 2 µm x 2 µm superficie di Mica* (risoluzione atomica) scan area: 80 Å x 80 Å intervallo di risoluzione molto largo 100 µm Å *Mica = alluminosilicato stratificato 25

26 immagini AFM morfologia cristalli di polietilene immagini TEM di cristalli ottenuti da soluzione diluita e poi ricoperti è evidente la crescita a spirale del cristallo (spiralizzazione della dislocazione) è possibile ottenere direttamente informazioni sullo spessore degli strati cristalli singoli sovrapposti informazione non ricavabile direttamente con il TEM da soluzione di percloroetilene 26

27 immagini AFM morfologia fibre di polietilene ottenute per filatura da fuso immagini TEM di cristalliti di poliisoprene in campioni orientati sono evidenti i fasci di lamelle cresciuti perpendicolarmente alla catena estesa polimero trattato con OsO4 (assorbito solo nella fase amorfa) poli-isoprene 1,4-cis = gomma naturale 27

28 immagini AFM film orientato di PTFE sono evidenti le catene orientate parallelamente alla direzione di stiro & si riconoscono zone equispaziate a distanza analoga a quella dei gruppi CF2 in catena PTFE = politetrafluoroetilene (teflon) morfologia & struttura film orientato di polissimetilene (POM) si riconoscono sequenze regolari a diversa brillantezza corrispondenti alla periodicità delle eliche del POM i 5 passi dell elica 9/5 28

29 immagini AFM distribuzione di fase in compositi & blend fasi a diversa rigidità hanno risposte AFM diverse (varia sia l ampiezza sia la fase di oscillazione del cantilever ) blend PE/grafite sistema elastomerico caricato con silice immagine topografica (ampiezza dell oscillazione) TEM trasformata di Fourier immagine originale immagine della risposta elastica (phase image) sono riconoscibili gli aggregati di silice è possibile sfruttare varie proprietà fisiche per analizzare la composizione del materiale (p.e. :proprietà meccaniche, termiche, elettriche.) 29

30 prospettive future utilizzando sonde opportunamente funzionalizzate è possibile fare una mappatura della composizione chimica della superficie si sfruttano interazioni chimiche specifiche tra sonda e superficie interazione antigene-anticorpo applicazioni in campo biochimico 30

31 sonde opportunamente funzionalizzate possono essere utilizzate per esperimenti di misura di forza di legame misura della forza necessaria per la transizione conformazionale barca-sedia in un polisaccaride p.e. antigene-anticorpo, unfolding direzionale di proteine, etc. misura della forza necessaria perla separazione delle due catene del DNA a doppia elica 31

32 fine microscopie a sonda 32