Microscopia alla nanoscala

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1 Microscopia alla nanoscala Guido Paolicelli lli Centro S3, Modena

2 Microscopio ottico

3 Microscopi elettronici TEM SEM Scanning Probe Microscopy, SPM STM AFM

4 Scanning Probe Microscopy, SPM? Un insieme di tecniche di microscopia che si sono sviluppate negli ultimi i 30 anni Immagine microscopica ottenuta con una punta che opera una scansione regolare sulla superficie

5 Superficie di Silicio Aspetti fondamentali: Immagine reale Assoluta sensibilita alla superficie Sensibilità atomica Caratteristiche fondamentali: movimenti e stabilità 1 Ǻ soluzioni comuni a tutte le tecniche (piezoelettrici) sentire la superficie differenti tecniche usano diverse interazioni

6 STM Microscope STM Image Gold Atomic Steps

7 Il Nobel per la Fisica 1986 è stato dedicato alla miscroscopia Prof. H. Rohrer Prof. G. Binning Scanning Tunneling Microscope Sistema in Vuoto Corrente di tunneling Campione conduttore "for their design of the scanning tunneling microscope and Prof. Ernst Ruska for the design of the first electron microscope V tip Tip z sample Sample sample org/nobel _prizes/physics/laureates/1986/ I V ρ t s ( ) ϕ z E e f

8 AFM Microscope Per poter osservare anche superfici non conduttrici la punta STM misura il movimento di una leva metallica che spinge una punta sul campione

9 Atomic Force Microscope Alla scala dei nanometri esiste sempre una forza di attrazione o repulsione tra punta e campione risultante da diversi effetti elettromagnetici Ron Reifenberger; Arvind Raman (2010), "ME 597/PHYS 570: Fundamentals of Atomic Force Microscopy (Fall 2010),"

10 Leve di dimensioni micrometriche in Silicio integrate con punte nanometriche sono sensibili a queste forze e si deflettono in prossimità o in contatto con la superficie. 100 µm Curva forza-distanza F 1nN (max attraction) 4 µm superficie superficie F = - k z (elastic force) k 1N/m z 1nm 35 µm superficie i

11 Come evidenziare i il movimento della punta che corrisponde al profilo della superficie i? la leva ottica Tutti questi metodi non richiedono di operare in vuoto!!

12 Atomic Force Microscope Forza di attrazione o repulsione Campione metallico o isolante Sistema in Vuoto, Aria, Liquido Campioni biologici in liquido

13 NanoLab Le nanoscienze in laboratorio Contributi: ib i CNR, Ist. NanoScienze and Gruppo PSC Dip. di Fisica, Univ. Modena e Reggio Progetto Lauree Scientifiche

14 la leva ottica

15 Effettivamente il microscopio AFM lavora sempre, come anche il microscopio STM, utilizzando il metodo del feedback! Afmmodel.exe Ron Reifenberger; Arvind Raman (2010), "ME 597/PHYS 570: Fundamentals of Atomic Force Microscopy (Fall 2010),"

16 Effettivamente il microscopio AFM lavora quasi sempre in modalita dinamica La descrizione del sistema, punta in interazione con una superficie, diventa piu complessa ma gestibile. Si passa dalla equazione statica di una molla a quella di un oscillatore armonico forzato e smorzato dove lo smorzamento e in parte dovuto alla interazione punta superficie. photodetector Z movement piezo Oscillating piezo

17 La soluzione dell equazione del moto di un oscillatore armonico forzato e smorzato e ancora una oscillazione armonica. z(t) = z 0 + A(cos(2πf t+φ) Sia la frequenza f che l ampiezza A dipendono dall interazione F(z). Minore probabilita di danneggiare il campione poiche il contatto e intermittente o assente. Si minimizzano gli effetti di forze laterali (attrito). Frequenza Ampiezza (per piccole ampiezze A) FM-AFM oppure Non Contact AFM e la modalita di lavoro in cui il feedback e sulla frequenza f. utilizzata in vuoto raggiunge risoluzione atomica AM-AFM oppure Tapping AFM e la modalita di lavoro in cui il feedback e sulla frequenza A. utilizzata in aria e liquido utilizzata su campioni bilogici non raggiunge risoluzione atomica

18 Misure di forze di attito in contatto