Práctica 1. Modos Básicos de Operación

Transcripción

1 Máster en Ciencia e Ingeniería de Materiales Universidad Carlos III de Madrid Microscopía de Fuerza Atómica Curso Práctica 1. Modos Básicos de Operación Autores: Dania Olmos y Fco. Javier González Benito

2 ÍNDICE Página 1. Introducción Partes de un microscopio SPM Principales modos de operación del AFM 8 4. Parte experimental Bibliografía y otras fuentes de información...16 Microscopía de Fuerza Atómica - 2 -

3 Objetivos de la práctica. Familiarizarse con el microscopio de fuerza atómica y conocer los modos básicos de operación. 1. Introducción La microscopía de fuerza atómica (AFM) se ha convertido en la técnica líder dentro de las técnicas de barrido con sonda. Sus posibilidades únicas como técnica de caracterización en la escala nanométrica y micrométrica han sido ampliamente reconocidas en la industria de los semiconductores y del almacenamiento electrónico. Recientemente las capacidades del AFM en el campo de los polímeros han hecho que la microscopía de fuerza atómica se revele como una técnica complementaria de otras técnicas de caracterización microscópicas y difractométricas en la caracterización morfológica, micro- y nanoestructural, así como en un gran número de aplicaciones en las que es la única técnica disponible. Uno de los microscopios de barrido por sonda que más se ha comercializado es el denominado MultiMode SPM de Digital Instruments/Veeco Metrology Group, que es con el que se va a trabajar en esta práctica. Existe un amplio rango de aplicaciones de la microscopía de fuerza atómica. Entre otras, se encuentran los modos convencionales de AFM (contacto, no contacto y contacto intermitente), microscopía de campos eléctricos y magnéticos, potencial superficial, AFM con modulación de fuerza, medidas electroquímicas, se trata por ello de uno de los equipos más versátiles. En la Figura 1, se muestra una fotografía de la distribución del equipo de medida. El equipo consta del microscopio de barrido por sonda (SPM), un controlador, un ordenador y dos monitores uno de control y otro de visualización de la imagen in-situ y en tiempo real. Figura 1. Componentes del sistema MultiMode SPM. (Image courtesy of Veeco Inc.) En la Figura 2 se muestra con detalle el microscopio de barrido, donde aparecen indicados cada uno de sus componentes. A continuación vamos a describir brevemente los componentes más relevantes y su función. Microscopía de Fuerza Atómica - 3 -

4 Figura 2. Componentes de un SPM (Image courtesy of Veeco Inc.). 2. Partes de un microscopio de barrido (SPM) 2.1. Cabeza En la Figura 3 se muestra un esquema de la cabeza de un microscopio de barrido típico de AFM. El sistema se encuentra colocado sobre una mesa X-Y que a su vez está unida al escáner en tres puntos de anclaje y sujeta por un par de muelles (Figura 2). Figura 3. MultiMode SPM head and major components: laser (1); espejo (2); cantilever (3); espejo móvil (4); fotodetector (5). (Image courtesy of Veeco Inc.). Microscopía de Fuerza Atómica - 4 -

5 2.2. El escáner El escáner empleado tiene de forma de tubo. En la figura 4 se observan distintos tipos de tubos de barrido o escáneres que se pueden emplear con este equipo. Existen distintos tipos de escáneres con diferente poder de resolución. En la tabla 1, se han recopilado los modelos disponibles para el microscopio que vamos a emplear en esta práctica, indicándose el rango máximo permisible en las dimensiones XY y Z. Figura 4. Escáneres disponibles para trabajar con el microscopio de barrido con sonda SPM MultiMode. De izquierda a derecha: AS-130V (vertical J); AS-200 (K); AS-130 (J); AS-0.5 (A) (No está incluido el AS-12 (E)). Todos son intercambiables. (Image courtesy of Veeco Inc.). Tabla 1. Modelos de escáneres disponibles para el MultiMode de Digital Instruments, indicándose el rango máximo permisible en las dimensiones XY y Z. (Courtesy of Veeco Inc.) La punta El tipo de punta y de soporte de la misma viene directamente condicionado por la muestra y el modo de operación. Por ejemplo, si vamos a trabajar en el modo de contacto, elegiremos una punta de nitruro de silicio colocada en un soporte estándar. Si por el contrario, vamos a trabajar en el modo de contacto intermitente (Tapping Mode) para observar una muestra biológica en un medio fluido, será necesario emplear una celda especial de líquidos. Por otra parte, para trabajar con el STM es necesario utilizar un soporte especial que tiene un pequeño tubo adaptado para sujetar los alambres que se utilizan para hacer los barridos. En la Figura 5 se pueden observar ejemplos de cada uno de los soportes de puntas empleados para las puntas de barrido. Microscopía de Fuerza Atómica - 5 -

6 Figura 5. Ejemplos de soportes para puntas utilizados con el SPM MultiMode. De izquierda a derecha: contacto y contacto intermitente, medidas de campos eléctricos (EFM); medidas con modulación de fuerza (FM-AFM) y STM. (Image courtesy of Veeco Inc.). Las puntas que se emplean en AFM suelen ser de nitruro de silicio o de silicio. Las puntas de nitruro de silicio generalmente se emplean en el modo de contacto, mientras que las de silicio, son las más ampliamente empleadas tanto para el modo de contacto intermitente o tapping como para la mayoría de las aplicaciones de la microscopía de fuerza atómica. En el mercado se encuentran disponibles una gran variedad de puntas con distintas constantes de fuerza, frecuencias de resonancia, recubrimientos superficiales, longitud de la punta, espesor,... En la figura 6, se muestra a modo de ejemplo una de punta de típica de las empleadas para operar en el modo de contato intermitente. Figura 6.- Punta de silicio empleada para medir en TM-AFM. (Image courtesy of Veeco Inc.) El sistema control y retroalimentación En la Figura 7 se muestra un detalle del sistema óptico de retroalimentación. El láser incide sobre la punta de barrido. A medida que se hace el barrido correspondiente, se producirá una deflexión de la punta que se traducirá en un cambio en la posición de incidencia del láser en el fotodetector. El sistema rectifica, subiendo o bajando el tubo de barrido, de forma que el haz vuelva a incidir en el centro del fotodetector. El sistema también permite detectar movimientos laterales del haz del laser, monitorizándose así los fenómenos asociados a procesos de fricción que tienen lugar entre la punta y la superficie de barrido. Microscopía de Fuerza Atómica - 6 -

7 (a) (b) Figura 7. (a) Fotodetector de cuatro cuadrantes. Se utilizan distintos segmentos del fotodetector para generar imágenes por AFM o por LFM (Image courtesy of Veeco Inc.); (b) esquema del sistema de retroalimentación. El sistema de retroalimentación que se emplea para controlar las interacciones punta muestra debe ser optimizado antes de cada medida y para cada muestra. El control y optimización del sistema se consigue ajustando una serie de ganancias en el circuito de retroalimentación del SPM. Microscopía de Fuerza Atómica - 7 -

8 3. Principales modos de operación del AFM En un AFM, se distinguen tres modos de operación básicos que son el modo de contacto, contacto intermitente o tapping y no-contacto Modo de contacto En el modo de contacto, la punta barre la superficie de la muestra, aplicando una fuerza constante (F = constante) y sin levantar la punta de la superficie. La fuerza aplicada está relacionada con la deflexión que experimenta la punta mediante la constante de fuerza del cantilever; así F = - k D, donde F es la fuerza aplicada, k es la constante de fuerza del cantilever y D la deflexión. Por tanto, trabajar a una determinada deflexión (D = cte) es equivalente a trabajar a una fuerza constante, pues son proporcionales. Así, se fija la deflexión de trabajo (D sp ; sp = setpoint) y, a medida que se hace el barrido, el escáner sube o baja (en Z) para mantener una deflexión constante (D = cte F = cte). El movimiento vertical del tubo de barrido permite obtener una imagen topográfica de la muestra que generalmente se llama Imagen de Alturas. (a) (b) Figura 8. (a) Punta de AFM operando en el modo de contacto sobre la muestra; (b) Relación entre Fuerza (F), Deflexión (s) y Constante de fuerza (k) Modo de contacto intermitente (tapping) En el modo de contacto intermitente se aplica una señal sinusoidal, haciendo oscilar a la punta a su frecuencia de resonancia. Los barridos se efectúan a una amplitud de oscilación constante, denominada amplitud de trabajo o A sp (sp = setpoint). El escáner de barrido sube y baja (en Z) para mantener esa amplitud constante en todo momento. El movimiento vertical del tubo de barrido, proporciona, de nuevo la imagen topográfica (Imagen de Alturas). Por otra parte, por efecto de la interacción de la punta con los distintos constituyentes de la muestra, se produce un cambio en la fase de la onda sinusoidal aplicada, esto es, un desfase. El registro de este desfase, permite obtener la denominada Imagen de Fase. El cambio en la fase de la señal sinusoidal está relacionado con las propiedades mecánicas y viscoelásticas del material bajo observación. Por ello, la denominada imagen de fase está relacionada con los constituyentes (fases) del material bajo observación. Microscopía de Fuerza Atómica - 8 -

9 Amplitud Fase (a) Frecuencia (b) Figura 9. (a) Amplitud y Fase de la señal sinusoidal aplicada a la punta en TM-AFM; (b) Punta de AFM operando sobre la muestra en el modo de contacto intermitente o tapping. Desde su descubrimiento, éste ha sido el principal modo de trabajo aplicado al estudio de polímeros. Al aplicar una señal sinusoidal con una cierta frecuencia, el tiempo de interacción y las fuerzas de cizalla entre la punta y la muestra son menores que en el caso de un contacto continuo. Además, a esto se suma la mayor sensibilidad para el estudio composicional en la muestra Modo de no-contacto Por otra parte, cuando se trabaja en condiciones de no contacto, también se aplica una onda sinusoidal, pero sin llegar a tocar la superficie de la muestra. Es más complejo, ya que debido a la capa de contaminación de agua que recubre a todas las muestras, podría en cualquier momento pasar a tocar la muestra. Sus aplicaciones se limitan al caso de muestras muy planas. Figura 10. Punta de AFM operando sobre la muestra en el modo de No-Contacto. Microscopía de Fuerza Atómica - 9 -

10 4. Parte experimental 4.1. Colocación de la punta y ajuste de la señal del láser Antes de proceder a la realización de cualquier medida, en primer lugar, es necesario colocar la punta y ajustar el láser que forma parte del sistema de retroalimentación. La punta se coloca en el soporte con la ayuda de unas pinzas tal y como se muestra en la Figura 11, deslizándola por la ranura del soporte. Seguidamente colocamos el soporte con la punta dentro de la cabeza del AFM y se procede al ajuste de la señal del láser. Figura 11. Colocación de la punta en la ranura del soporte presionando ligeramente el clip del soporte (Image courtesy of Veeco Inc.). Alineamiento del láser A continuación se describirán los métodos más comunes que se suelen emplear para alinear el láser, el espejo y el fotodetector del equipo. Existen dos métodos. El primer método hace uso de una lupa monocular (suministrada con el equipo) para observar la posición del haz del láser sobre el voladizo de la sonda de medida. El segundo método hace uso de una pequeña tira de papel para visualizar la posición del láser. La elección de un método u otro es una cuestión meramente personal. Antes de comenzar con cualquiera de los métodos es necesario comprobar que el interruptor de la base está colocado en la posición de AFM & LFM o TM AFM. Si el interruptor se encuentra en la posición de STM, el láser estaría desconectado. Método 1 En la Figura 12, se muestran dos formas de colocación de la lupa monocular para llevar a cabo el alineamiento del haz del láser sobre el voladizo de la sonda de medida. Microscopía de Fuerza Atómica

11 Figura 12. Formas de posicionar la lupa para alinear el haz del láser a través de la ventana frontal (izquierda) o sobre la cabeza (derecha) del AFM (Image courtesy of Veeco Inc.). Con ayuda de los dos botones de la cabeza del AFM, se posiciona el haz del láser encima del sustrato. A continuación, posicionamos el haz en el borde del sustrato moviendo para ello el botón correspondiente al eje X (Véase figuras 3 y 13). Con el botón de ajuste del eje Y se busca el centro del voladizo de la sonda de medida. Finalmente con los dos botones de ajuste en los ejes X e Y terminamos de posicionar la señal del láser en el centro del voladizo, fijándonos en todo momento en la intensidad de la señal que le llega al fotodetector. Si la intensidad de la señal es baja, ésta se puede aumentar variando ligeramente la inclinación del espejo que se encuentra dentro de la cabeza del microscopio (Figura 3) hasta conseguir una intensidad adecuada. Figura 13. Posicionamiento del haz del láser sobre una punta empleada para el modo operación de contacto (Image courtesy of Veeco Inc.). Método 2 En la Figura 14 se ilustra el modo de operación de este segundo método. El método consiste en alinear el láser a partir de la observación de los patrones de luz reflejados o difractados de la superficie del voladizo en un trozo de papel. Este método es conocido Microscopía de Fuerza Atómica

12 como el método de la tira de papel. Este método permite verificar rápidamente si el haz del láser se encuentra posicionado en el extremo del voladizo. En este método se introduce una tira de papel de aproximadamente 1 cm de anchura en la cabeza del AFM (Figura 14) y se observan los patrones reflejados de la parte posterior del voladizo. En este caso, como el papel impide la llegada del haz al fotodetector, no es posible monitorizar la intensidad de la señal que llega al fotodetector mientras se está utilizando este método. Figura 14. Utilización del método de la tira de papel para alinear el láser dentro de la cabeza del SPM (Image courtesy of Veeco Inc.). En la Figura 15 se ilustran los patrones de reflexión del haz del láser sobre la tira del papel que se obtendrían durante el alineamiento del haz sobre una punta de nitruro de silicio típica para operar en el modo de contacto. Figura 15. Control direccional del haz del láser haciendo uso de los botones de ajuste. Se muestran tres patrones localizaciones del haz con sus correspondientes patrones de reflexión (Image courtesy of Veeco Inc.). Microscopía de Fuerza Atómica

13 El alineamiento del haz del laser en las puntas empleadas en el modo de operación de contacto intermitente (puntas de silicio) es bastante similar. A continuación se enumeran los pasos a seguir: a) Colocar el haz del láser sobre el sustrato. b) Mover el haz del láser a lo largo del eje Y para colocarlo en el centro del voladizo. c) Mover el haz hacia el voladizo y colocarlo fuera del sustrato. d) Colocar el haz en el centro del voladizo. e) Mover el haz hacia el extremo del voladizo f) Alinear el fotodiodo con el haz reflejado. En la figura 16 se ilustran con detalle cada una de las etapas descritas junto con los patrones de reflejados en la tira de papel. Figura 16. Procedimiento de alineamiento del láser con puntas de silicio mediante el método del papel: 1) posicionar el haz en el sustrato; 2) encontrar el centro del sustrato; 3) moverlo hacia el voladizo; 4) encontrar el voladizo; 5) localizar el centro del voladizo (cantilever); 6) mover el haz hasta el final del voladizo (Image courtesy of Veeco Inc.). Finalmente, para concluir con el proceso de ajuste de la señal del láser se procede a optimizar la intensidad de la señal que llega al fotodetector. Si el láser se ha alineado convenientemente la señal de SUMA debería marcar unos 4 V en las puntas de nitruro de silicio recubiertos con oro (modo de contacto) y en torno a 1-3 V para una punta de silicio (modo de contacto intermitente). En caso contrario, es conveniente comprobar la alineación del láser revisando el proceso descrito. Otra posibilidad es variar la inclinación del espejo en la cabeza del microscopio (Figura 17). Por último se centra el haz haciéndolo incidir en el centro del fotodetector, usando para ello los dos botones que se encuentran en la parte posterior de la cabeza del microscopio para el ajuste de la señal A-B y C-D en el fotodetector de cuatro cuadrantes (veáse Figura 17). Microscopía de Fuerza Atómica

14 Figura 17. Vista superior y posterior de la cabeza del SPM donde se muestran los botones de posicionamiento del haz del laser en los ejes X-Y y de la señal del fotodetector (A-B y C-D) (Image courtesy of Veeco Inc.) Medidas en el Modo de contacto intermitente A continuación se describen los pasos a seguir para trabajar con el modo de operación de contacto intermitente. a) Seleccionar el modo de trabajo (Contact o Tapping) en el panel Other controls. En nuestro caso se trabajará con el modo TM-AFM. b) Colocar la punta adecuada en el soporte (cantilever holder). En el caso concreto, se emplearán puntas con una constante de fuerza, k, de unos 40 N/m y una frecuencia de resonancia en torno a los 300 khz, siguiendo el procedimiento descrito en el apartado anterior. c) Seleccionar el scanner adecuado. Aquí se va a trabajar con un scanner de tipo J. Para ello, en el software, se eligen los parámetros adecuados en Microscope/Scanner. d) Colocar la muestra en el porta adecuado, generalmente son discos de acero de unos 12 ó 15 mm de diámetro. e) Colocar el cabezal óptico sobre el scanner, sujetándolo con los muelles y conectando el láser a la base. f) Alinear el láser sobre la punta. g) Ajustar la señal que llega al detector. h) Buscar la frecuencia de resonancia de la punta con la que se va a medir (View- Sweep-Cantilever Tune). Esta etapa únicamente es necesaria cuando se trabaja en el modo de contacto intermitente o tapping. i) En el panel Auto Tune Controls, seleccionar una amplitud inicial Target Amplitude de 1 V. j) Fijar los siguientes parámetros iniciales: En el panel de Scan Controls : scan size = 0 mm; X offset = 0; Y offset = 0; scan rate = 1 Hz; Microscopía de Fuerza Atómica

15 En el panel de Feedback Controls: Feedback = amplitude; Integral gain = 0.2; Proportional gain = 2.0 (TM-AFM). k) Pulsar en el botón de Engage. l) Ajustar los parámetros de barrido a medida que la punta interacciona con la superficie de la muestra bajo estudio. Para ello, se selecciona View/Scope Mode o se pulsa el icono de Scope Mode. Si la punta está rastreando la superficie adecuadamente, las líneas de Ida y Vuelta (Trace-Retrace, líneas blanca y amarilla) deberían de coincidir, aunque no tienen por qué solapar perfectamente. Si las líneas de Trace-Retrace coinciden, la punta está barriendo adecuadamente la superficie. Ahora se pueden cambiar las condiciones de barrido, aplicando mayor o menor fuerza cambiando la amplitud de trabajo, como veremos en la práctica. Si las líneas Trace-Retrace no coinciden, generalmente se mejora disminuyendo A sp. m) Para terminar la medida, es conveniente reducir el área de barrido a un micrómetro, aumentar la amplitud de trabajo (Amplitude setpoint) y/o disminuir la frecuencia del Drive Amplitude y después pulsar el icono correspondiente a Withdraw. Ejercicio práctico nº 1 Siguiendo estas indicaciones los alumnos procederán a observar la topografía de las pistas de un DVD comercial mediante el modo de trabajo de contacto intermitente. En este ejercicio se seleccionará una amplitude Target Amplitude de 2 V y se registrará una imagen de 7x7 micrómetros Medidas en el Modo de contacto El siguiente modo de trabajo a estudiar es el modo de contacto. Para ello es necesario haber finalizado con el barrido y tener el equipo en la posición de Secured. Para trabajar con el modo de operación de contacto es conveniente seguir los siguientes pasos: a) Como punto de partida se selecciona una deflexión vertical entre -3.0 y -2.0 V para las puntas de nitruro de silicio y de entre -0.5 y -1 V para las de silicio. b) Acercamiento manual de la punta a la superficie de la muestra. c) En el panel de otros controles deberán aparecer los siguientes parámetros (Image courtesy of Veeco Inc.) d) En el panel de retroalimentación se fijan los siguientes parámetros. Microscopía de Fuerza Atómica

16 (Image courtesy of Veeco Inc.) e) Como parámetros de barrido (en el panel Scan Control) seleccionamos: Scan size: 500 nm; X, Y offsets: 0.0. Scan angle: 0.0; Scan rate: 1 Hz Number of samples: 512 Slow scan axis: Enabled. Z Limit: 440 volts Ejercicio práctico nº2 Siguiendo estas indicaciones los estudiantes procederán a observar la topografía de las pistas de un DVD comercial utilizando el modo de trabajo de contacto. El alumno registrará una imagen de 4x4 µm. Ejercicio práctico nº3 Sin cambiar la muestra, volveremos se cambiará de nuevo al modo de trabajo al de contacto intermitente y se registrará una imagen en la misma zona barrida, de 7x7 µm. 5. Bibliografía y otras fuentes de información [1]. Manual del Microscopio de Fuerza atómica (Digital Instruments/Veeco Metrology Group) [2]. Comprehensive Desk Reference of Polymer Characterization and Analysis. Ed. Brady RF, Jr. ACS [3]. Microscopía de Fuerza Atómica