Microscopía de Fuerza Atómica (AFM)

Transcripción

1 Programa de POSTGRADO de la Universidad Carlos III de Madrid Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química Dania Olmos Fco. Javier González Benito Tema 3.. 1

2 1. Introducción 2. Microscopio de Fuerza Atómica 3. Componentes del AFM 4. Modos de Operación 5. Aplicaciones Prácticas 6. Bibliografía Tema 3..

3 1. Introducción UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID G. Binnig C. F. Quate C. Gerber Tema 3..

4 1. Introducción UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Controla la fuerza que experimenta una punta al aproximarse a la superficie de un material G.Binnig, C.F. Quate, Ch. Gerber. Atomic Force Microscope. Physical Review Letters, 1986, 56, 930. Tema 3..

5 2. Microscopio de Fuerza Atómica Imagen original tomada de: G.Binnig, C.F. Quate, Ch. Gerber. Atomic Force Microscope. Physical Review Letters, 1986, 56, 930. Tema 3..

6 2. Microscopio de Fuerza Atómica Fotodetector Espejo Láser Muestra Tema 3..

7 3. Componentes de un AFM Fotodetector + - sum + sum - Force setpoint Señal de error ( C ) Compensation network Z= f(c) Señaltopográfica ( Z ) Tema 3.. 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

8 3. Componentes de un AFM a) Tubo de barrido o escáner Imagen tomada de la web: Y Voltaje Y X X Movimiento de la sonda de barrido en los ejes X e Y. Señal de salida del piezoeléctrico cerámico en los ejes X e Y del AFM. Tiempo Time Tema 3..

9 3. Componentes de un AFM a) Tubo de barrido o escáner Respuesta de un material piezoeléctrico policristalino Elongación Histéresis del escáner Elongación Closed loop operation Voltaje Voltaje Tema 3..

10 3. Componentes de un AFM b) Soporte de la punta o sonda de barrido Images courtesy of Veeco Instruments Inc. Tema 3..

11 3. Componentes de un AFM c) Punta o sonda de barrido ment_grooves_holder_chip.html Tema 3..

12 3. Componentes de un AFM c) Punta o sonda de barrido Imagen de Park Systems: Image courtesy of Veeco Instruments Inc. Tema 3..

13 3. Componentes de un AFM d) Fotodetector (2 o 4 cuadrantes) Fotodetector de 4 cuadrantes Fotodetector de 2 cuadrantes Tema 3..

14 3. Componentes de un AFM e) Sistema de control de fuerza y retroalimentación Transductor Muestra Amplificador S 0 S 0 (fuerza) La sonda hace contacto con la superficie Distancia Tema 3..

15 3. Componentes de un AFM e) Sistema de control de fuerza y retroalimentación Sensor de fuerza Escáner x, y, z Sensor de fuerza Tema 3..

16 3. Componentes de un AFM f) Control y adquisición de datos Image courtesy of Veeco Instruments Inc. Tema 3..

17 4. Modos de Operación 4.1. Contacto UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Señal en el fotodetector (A + B) (C + D) (A + B) + (C + D) Fuerza = constante Deflexión Constante de fuerza k A C B D F = k D D = cte s F Fuerza F = k s Deflexión de la micropalanca Muestra Atracción o repulsión D sp = cte Z imagen de alturas topografía Tema 3..

18 4. Modos de Operación 4.2. Contacto Intermitente UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Image courtesy of Veeco Instruments Inc. Amplitud Fase Frecuencia A 0 = amplitud de oscilación libre A sp = amplitud de trabajo r sp = A sp /A 0 A = constante Z imagen de alturas; topografía φ imagen de fase Tema 3..

19 4. Modos de Operación 4.2. Contacto Intermitente UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Fase Tema 3.. Image courtesy of Veeco Instruments Inc. Imagen de DI/Veeco (

20 4. Modos de Operación 4.2. No Contacto UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID La punta no contacta con la superficie de la muestra No-Contacto Image courtesy of Veeco Instruments Inc. Tema 3..

21 4. Modos de Operación UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Fuerza Fuerza Repulsiva Contacto Intermitente Contacto Distancia (Separación punta-muestra) Imagen adaptada de: aushik/park/1-2-3.htm No - Contacto Fuerza Atractiva Contacto No-Contacto Contacto Intermitente Tema 3..

22 4. Modos de Operación Modo de trabajo Contacto (CM) Contacto Intermitente (TM) No Contacto (NCM) Ventajas Alta velocidad de barrido Resolución atómica Cambios bruscos en topografía Mayor resolución lateral (1 5 nm) Fuerzas más débiles menor daño de muestra Ausencia de fuerzas aplicadas sobre la muestra Desventajas Fuerzas laterales posible distorsión de imagen Posible aparición de fuerzas normales fuertes Combinación de fuerzas anteriores puede disminuir resolución espacial y dañar muestras blandas Ligeramente menor velocidad de barrido que CM Menor resolución lateral Menor velocidad de barrido Útil para muestras hidrofóbicas Tema 3..

23 5. Aplicaciones (a) Altura TM-AFM UC3M Fase 20 µm By D. Olmos (b) Altura UC3M Fase 5 µm By D. Olmos Altura Altura (c) (d) 20 µm CM-AFM By D. Olmos 25 µm TM-AFM + CM-AFM Tema 3..

24 5. Aplicaciones UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID 700nm scan. AFM point-and-click Nanolithography AFM point-andclick nanolithography. Imagen procedente de la galería de imágenes de Veeco em.aspx?dbv=13&ic=11&type=app&typeid=361&id=157& prodgrp=69 Imagen 400x480nm Manipulación de nanotubos de carbono m.aspx?type=app&typeid=361&id=164&prodgrp=69 Images courtesy of Veeco Instruments Inc. Tema 3..

25 5. Aplicaciones UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID By J.Gonzalez- Benito 2µm x 2 µm Crecimiento en espiral de cristales de PEO Tema 3..