Progetto Nazionale Disciplinare Scienza dei materiali

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1 Piano Nazionale per le Lauree Scientifiche Progetto Nazionale Disciplinare Scienza dei materiali Università della Calabria Dipartimento di Fisica STM, IL MICROSCOPIO AD EFFETTO TUNNEL Dipartimento di Fisica Università della Calabria, Arcavacata di Rende (CS)

2 I NANOSCOPI I microscopi ci fanno vedere le cose micro Microbi Cellule I circuiti della microelettronica i nanoscopi quelle nano Proteine DNA e Virus Nanotubi Nanoparticelle

3 IL POTERE RISOLUTIVO

4 MICROSCOPIO A RAGGI X Globulo Rosso, nella forma a riccio dovuta alla tecnica di essiccamento Batterio accumulatore di Mn

5 MICROSCOPIA ELETTRONICA Colonia di Chroococcidiopsis al TEM con tre cellule racchiuse da un involucro polisaccaridico Parte terminale di un filamento di Nodularia (cianobatterio filamentoso) al SEM Virus Batteriofago

6 MICROSCOPIA ELETTRONICA Nanocristalli di TiO 2 Morfologia di superfici di TiO 2

7 MICROSCOPIA A FORZA ATOMICA: AFM Punta utilizzata nella spettroscopia AFM Movimento e/o migrazione di un Macrofago Nanosfere (40 nm) fluorescenti

8 MICROSCOPIA A FORZA ATOMICA: AFM Grafite Nanotubi di carbonio

9 MICROSCOPIA A EFFETTO TUNNEL: STM Il microscopio per scansione a tunnel fu sviluppato all IBM di Zurigo nel 1981 da Gerd Binning e Heinrich Rohrer che ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1986 per questa scoperta.

10 L IDEA DI BASE È costituito da una sottile punta metallica che scansiona la superficie del campione e fornisce informazioni sulla topologia della superficie e sulle sue caratteristiche elettroniche Ottenere immagini eccellenti a risoluzione atomica è incredibile: la dimensione dell'atomo in relazione alla punta, è confrontabile a quella di una pallina da golf per una montagna! Immagine SEM della punta

11 L EFFETTO TUNNEL Si basa su un fenomeno quantistico che non ha corrispettivo classico: l EFFETTO TUNNEL Classicamente un corpo non può passare da un punto A ad un punto B se questo si trova ad un energia potenziale più alta. Quantisticamente esiste una probabilità non nulla che la particella possa superare la barriera di energia potenziale.

12 L EFFETTO TUNNEL Secondo la meccanica quantistica gli elettroni possono essere rappresentati da delle funzioni d onda, si comportano come onde. L'ampiezza della funzione d'onda rappresenta la quantità di particelle, la frequenza l energia. 1. Fissando lo spessore della barriera di potenziale e l'energia: aumentando l'ampiezza della funzione d'onda aumenta la probabilità di trovare particelle aldilà della barriera 2. Fissando l'ampiezza d'onda e l'energia: allargando la barriera di potenziale diminuisce la probabilità di trovare particelle aldilà della barriera 3. Fissando l'ampiezza d'onda e lo spessore della barriera: aumentando l'energia, aumenta la probabilità di trovare particelle aldilà della barriera Lunghezza d onda uguale, uguale energia. Ampiezza minore, probabilità minore.

13 Il sistema punta-vuoto-campione rappresenta una barriera di potenziale per gli elettroni dei due solidi; classicamente l elettrone che non possiede una energia superiore a tale barriera non potrà passare da un solido all altro, mentre quantisticamente esiste una probabilità non nulla che ciò avvenga. La corrente di tunneling decade velocemente al variare della distanza della punta dalla superficie. Il segnale di corrente registrato è perciò determinato solo dall apice della punta. LA DISTANZA PUNTA-CAMPIONE I e 2 ħ d 2m V B E

14 PROBLEMATICHE MECCANICHE 1 PROBLEMA MECCANICO: come realizzare una punta con un apice a singolo atomo etching chimico 2 PROBLEMA MECCANICO: come portare la punta alla distanza opportuna dal campione movimento di approccio e movimento fine 3 PROBLEMA MECCANICO: come mantenere la punta alla giusta distanza dal campione smorzamento delle vibrazioni 4 PROBLEMA MECCANICO: come effettuare i movimenti di scansione su distanze nanometriche ceramiche piezoelettriche

15 L EFFETTO DEL RUMORE SISTEMI DI SMORZAMENTO DEL RUMORE Quali sono le fonti di rumore che possono disturbare la misura? 1. Rumore acustico (in aria) 2. Vibrazioni meccaniche (pompe) 3. Vibrazioni esterne (passeggio, auto) 4. Rumore elettrico (massa) Come si possono eliminare questi rumori? 1. Molle su cui viene posizionato il dispositivo durante la misura 2. Eddy currents: correnti parassite generate in un conduttore in movimento all interno di un magnete e opposte ad esso. 3. Sospensioni meccaniche del supporto.

16 I PIEZOELETTRICI Per controllare i micromovimenti della punta si sfrutta il fenomeno della piezoelettricità. La piezoelettricità è la capacità di certi cristalli di produrre una differenza di potenziale quando sono soggetti a deformazione meccanica. Viceversa se si applica un campo elettrico a un cristallo piezoelettrico, il cristallo si distorce: piezoelettricità opposta. La distorsione di un piezo è in genere dell ordine di micrometri, che è la scala necessaria per mantenere la punta dell apparato STM a ~ 0.2 nm dalla superficie.

17 LA SCANSIONE La punta segue il profilo della superficie. Viene fatta muovere nel piano xy scansionando una regione di spazio nanometrica.

18 METODOLOGIE DI SCANSIONE La corrente d tunneling è altamente sensibile alla variazione di distanza ANALISI A CORRENTE COSTANTE La punta si muove sopra la superficie, il sistema di retroazione mantiene costante la distanza punta-campione ed il segnale Z = f x, y fornito dall elettrodo Z del piezoelettrico viene memorizzato, ed in seguito visualizzato come topografia. ANALISI AD ALTEZZA COSTANTE Z = cost, efficace per superfici piatte. La punta si muove sopra la superficie ad una distanza di qualche A e si memorizza il segnale di corrente I = f x, y. Si possono effettuare scansioni ad alta velocità ed osservare cambiamenti della superficie in tempo reale.

19 METODOLOGIE DI SCANSIONE Ad altezza costante A corrente costante MODALITA AD ALTEZZA COSTANTE La punta viene tenuta ad una altezza fissa rispetto al supporto porta campione. La topografia atomica della superficie è quindi ricostruita a partire dalla misura delle variazioni di corrente di tunneling. Questa modalità ha il principale svantaggio di mettere a rischio la sonda che potrebbe rompersi incontrando asperità anche minime. MODALITA A CORRENTE COSTANTE Per osservare campioni la cui superficie non è perfettamente piatta si utilizza la modalità a corrente costante in cui un dispositivo di retroazione negativa sposta il campione e ne misura la posizione. La punta è infatti connessa ad un circuito di feedback che regola la posizione verticale in modo da tenere fisso il valore della corrente di tunneling. L STM permette di riconoscere dettagli della scala dei nanometri e di spingersi fino a quella degli atomi, ossia decimi di nanometri. Lavorando in vuoto si possono raggiungere risoluzioni fino ad un centesimo di nanometro

20 TRATTAMENTO DELLE IMMAGINI La traccia (1) può essere interpretata come una griglia che può essere mostrata come un immagine in scala di grigio (2). L immagine in scala di grigio può essere interpretata come una mappa di contorno (3) che può essere resa più liscia con opportune medie (4). Alla fine possono essere posti dei falsi colori.

21 ESEMPI DI IMMAGINI Nickel (110) Singole molecole di DNA su una superficie di mica Molecole di porfirina su superficie di argento o rame 15nm 15nm

22 APPLICAZIONE DELL STM Con il microscopio ad effetto tunnel è possibile modificare strutture molecolari

23 ESEMPI DI APPLICAZIONI Atomi di ferro su superficie di rame Xe su Nickel (110) Cambio di conformazione Fabbricazione di molecole