Microscopía de Fuerza Atómica (AFM)

(1)

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Microscop

Microscopíía de Fuerza Ata de Fuerza Atóómicamica

Microscopía de Fuerza Atómica

(AFM)

Microscopía de Fuerza Atómica

(AFM)

Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química

Programa de POSTGRADO de la Universidad Carlos III de Madrid

Dania Olmos

(2)

1. Introducción

2. Microscopio de Fuerza Atómica 3. Componentes del AFM

4. Modos de Operación 5. Aplicaciones Prácticas

(3)

1. Introducci

ó

n

G. Binnig

(4)

1. Introducci

ó

n

Controla la fuerza que experimenta una punta al aproximarse a la superficie de un material

(5)

2. Microscopio de Fuerza At

ó

mica

Imagen original tomada de:

(6)

2. Microscopio de Fuerza At

ó

mica

Láser Fotodetector Espejo Muestra Láser Fotodetector Espejo Muestra

(7)

3. Componentes de un AFM

a) Tubo de barrido o escáner (piezoeléctrico) b) Soporte de la sonda de barrido

c) Sonda de barrido (punta)

d) Fotodetector (2 o 4 cuadrantes)

e) Sistema de control de fuerza y retroalimentación f) Control y adquisición de datos

Fotodetector sum + -sum Force setpoint -+ Señal de error (“C”) Compensation network Z= f(C) Señal topográfica (“Z”)

(8)

3. Componentes de un AFM

a) Tubo de barrido o escáner

Señal de salida del piezoeléctrico cerámico en los ejes X e Y del AFM.

Movimiento de la sonda de barrido en los ejes X e Y.

Y X X Y Time Vo lt a je

Imagen tomada de la web:

http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=2114

(9)

3. Componentes de un AFM

Respuesta de un material piezoeléctrico policristalino

a) Tubo de barrido o escáner

Closed loop operation Elongación Voltaje Voltaje Elongación Histéresis del escáner

(10)

3. Componentes de un AFM

b) Soporte de la punta o sonda de barrido

https://www.veecoprobes.com/c-133-multimode.aspx

(11)

3. Componentes de un AFM

c) Punta o sonda de barrido

http://www.budgetsensors.com/contact_mode_Al_align ment_grooves_holder_chip.html

(12)

3. Componentes de un AFM

c) Punta o sonda de barrido

Imagen de Park Systems:

http://www.psiastore.com/product.sc?productId=93&categoryId=4

https://www.veecoprobes.com/p-3693-snl-10.aspx

(13)

3. Componentes de un AFM

d) Fotodetector (2 o 4 cuadrantes) http://knol.google.com/k/-/-/25laaiqlcn2x8/p4xu5v/afm-scheme.png Fotodetector de 4 cuadrantes Fotodetector de 2 cuadrantes

(14)

3. Componentes de un AFM

e) Sistema de control de fuerza y retroalimentación

Distancia

S 0

(fuerza)

La sonda hace contacto con la superficie

Transductor Amplificador

Muestra

(15)

3. Componentes de un AFM

e) Sistema de control de fuerza y retroalimentación

Sensor de fuerza _{Escáner x, y, z}

(16)

3. Componentes de un AFM

f) Control y adquisición de datos

(17)

4. Modos de Operaci

ó

n

4.1. Contacto A B C D Fuerza = constante F = k D D = cte D_sp = cte Z – imagen de alturas topografía Muestra Atracción o repulsión Deflexión de la micropalanca Señal en el fotodetector (A + B) – (C + D) (A + B) + (C + D) F s k Deflexión Fuerza Constante de fuerza F = k s A B C D A B C D A B C D Fuerza = constante F = k D D = cte D_sp = cte Z – imagen de alturas topografía Muestra Atracción o repulsión Deflexión de la micropalanca Señal en el fotodetector (A + B) – (C + D) (A + B) + (C + D) F s k Deflexión Fuerza Constante de fuerza F = k s

(18)

4. Modos de Operaci

ó

n

A = constante Z – imagen de alturas; topografía ∆φ– imagen de fase

A₀= amplitud de oscilación libre A_sp= amplitud de trabajo rsp= Asp/A0 4.2. Contacto Intermitente Frecuencia Amplitud Fase

(19)

4. Modos de Operaci

ó

n

4.2. Contacto Intermitente

Fase

Imagen de DI/Veeco (www.veeco.com)

(20)

4. Modos de Operaci

ó

n

La punta no contacta con la superficie de la muestra

4.2. No Contacto

No-Contacto

(21)

4. Modos de Operaci

ó

n

Imagen adaptada de:

http://www.mechmat.caltech.edu/~k aushik/park/1-2-3.htm

Contacto No-Contacto Contacto Intermitente

Contacto Fuerza No - Contacto Contacto Intermitente Fuerza Repulsiva Fuerza Atractiva Distancia (Separación punta-muestra) Contacto Fuerza No - Contacto Contacto Intermitente Fuerza Repulsiva Fuerza Atractiva Distancia (Separación punta-muestra)

(22)

Modo de

trabajo Ventajas Desventajas

Contacto (CM) • Alta velocidad de barrido • Resolución atómica • Cambios bruscos en topografía

• Fuerzas laterales ⇒ posible distorsión de imagen

• Posible aparición de fuerzas normales fuertes

• Combinación de fuerzas anteriores ⇒puede disminuir resolución espacial y dañar muestras blandas

Contacto Intermitente (TM)

• Mayor resolución lateral (1 – 5 nm)

• Fuerzas más débiles ⇒ menor daño de muestra

Ligeramente menor velocidad de barrido que CM No‐Contacto (NCM) •Ausencia de fuerzas aplicadas sobre la muestra

• Menor resolución lateral

• Menor velocidad de barrido

• Útil para muestras hidrofóbicas

4. Modos de Operaci

(23)

5. Aplicaciones

TM-AFM

(b) 5 µm

CM-AFM

20 µm Altura (a) 20 µm Altura Fase Altura Fase

TM-AFM + CM-AFM

25 µm Altura (c) (d) UC3M UC3M By D. Olmos By D. Olmos By D. Olmos

(24)

5. Aplicaciones

700nm scan.

Imagen 400x480nm

Manipulación de nanotubos de carbono

AFM click Nanolithography AFM point-and-click nanolithography.

Imagen procedente de la galería de imágenes de Veeco

http://www.veeco.com/library/nanotheater/nanotheater_it em.aspx?dbv=13&ic=11&type=app&typeId=361&id=157&

prodGrp=69 http://www.veeco.com/library/nanotheater/nanotheater_ite_{m.aspx?type=app&typeId=361&id=164&prodGrp=69}

(25)

5. Aplicaciones

2µm x 2 µm Crecimiento en espiral de cristales de PEO By J.Gonzalez- Benito