O MUNDO NANO ATRAVÉS DA MICROSCOPIA DE FORÇA ATÔMICA E TUNELAMENTO

Apresentação em tema: "O MUNDO NANO ATRAVÉS DA MICROSCOPIA DE FORÇA ATÔMICA E TUNELAMENTO"— Transcrição da apresentação:

1 O MUNDO NANO ATRAVÉS DA MICROSCOPIA DE FORÇA ATÔMICA E TUNELAMENTO
R. Prioli – Depto. Física 2008 O MUNDO NANO ATRAVÉS DA MICROSCOPIA DE FORÇA ATÔMICA E TUNELAMENTO Prof. Rodrigo Prioli

2 R. Prioli – Depto. Física 2008 Nesta palestra apresentaremos os fundamentos e aplicações das técnicas de microscopia de força atômica (AFM) e tunelamento (STM). Estas técnicas de microscopia desenvolvidas nos últimos 20 anos permitem a visualização e manipulação de estruturas em escala nanométrica ou atômica. Interações como tunelamento, forças intermoleculares, forças magnéticas, forças eletrostáticas, e propriedades mecânicas de materiais podem ser medidas em diversos ambientes indo desde o ultra alto vácuo até líquidos. Exemplos de aplicações na área de ciência de materiais serão apresentados e discutidos.

3 Bibliografia R. Prioli – Depto. Física 2008 J.Chen, “Introduction to scanning tunneling microscopy (Oxford Series in Optical and Image Sciences 4), Oxford University Press (1993). R.Wiesendanger, “Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Methods and Applications”, Cambridge University Press (1994). E.Meyer, H-J, Hug, R. Bennewitz, “Scanning Probe Microscopy: The lab on a tip”, Springer-Verlag (2003). E.Meyer, R.M.Overney, K.Dransfeld, T. Galoy, “Nanoscience: Friction and Rheology on the Nanometer Scale”, World Scientific Publishing Company (1996).

4 Histórico R. Prioli – Depto. Física 2008 1981 – Invenção do STM na IBM-Zurique por G. Binnig e H.Rohrer. 1982 – Demonstração de resolução atômica por G.Binnig no Si(7x7) 1984 – Invenção do SNOM por D.Pohl. 1985 – Desenvolvimento do AFM por G.Binnig, C.Gerber, e C.F.Quate. 1986 – Binnig e Rohrer ganham o prêmio Nobel em Física pela invenção do STM 1987 – Resolução atômica com o AFM por T. Albrecht – Desenvolvimento do modo de Não-contato – Invenção do MFM 1991 – Microfabricação de pontas de AFM 1993 – Desenvolvimento do modo de contato intermitente “TappingMode®”

5 Princípio R. Prioli – Depto. Física 2008 Amostra é movimentada em relação ao sensor (ou o sensor é movimentado em relação a amostra) Sensor mede alguma propriedade da superfície Sistema de controle é utilizado para manter a altura entre o sensor e a superfície constante Sistemas onde o sensor é movimentado não limita o tamanho da amostra mas apresenta baixa resolução espacial. Sistemas onde a amostra é movimentada limita o tamanho da amostra mas apresenta alta resolução espacial.

6 Campo Próximo R. Prioli – Depto. Física 2008 Distância ( d ) entre o sensor e a superfície é menor do que o comprimento de onda ( l ) da interação utilizada ( d ≤ l) ! Resolução espacial é definida pelo “tamanho” do sensor (abertura, área de contato) e não pela difração! Exemplos: SPM l (nm) d (nm) STM (Ef ≈ 4eV) 0,5 SNOM 500 0,1 – 30

7 O que podemos medir ? 2008 MICROSCÓPIO INTERAÇÃO INFORMAÇÃO STM
R. Prioli – Depto. Física 2008 MICROSCÓPIO INTERAÇÃO INFORMAÇÃO STM Corrente de tunelamento Topografia 3-D; tamanho e forma de objetos; rugosidade; estrutura eletrônica. AFM Força intermolecular Topografia 3-D; tamanho e forma de objetos; rugosidade; propriedades mecânicas. LFM Força de fricção Dissipação de energia, área de contato, adesão MFM Forças magnéticas Tamanho e forma de estruturas magnéticas; força e polarização de domínios magnéticos SThM Transferência de calor Condutividade térmica EFM Forças eletrostáticas Gradientes de campo elétricos e domínios ferro elétricos SNOM Interação de ondas evanescentes Propriedades óticas de superfícies

8 Design do SPM 2008 Nanoscope IIIa Analógico AFM STM Digital Analógico
R. Prioli – Depto. Física 2008 Nanoscope IIIa Analógico AFM STM Tip Digital Analógico Computador + Placa DSP X-Y-Z Piezo Sistema Anti-vibratório

9 Formação da Imagem R. Prioli – Depto. Física 2008 A varredura da amostra (sensor) é realizada passo à passo por uma cerâmica piezelétrica através da aplicação de uma diferença de potencial nos quadrantes da cerâmica. A velocidade de varredura é limitada pela freqüência de ressonância da cerâmica. Lento Rápido Força, corrente, condutividade. Pixel (0,0, força)

10 A imagem R. Prioli – Depto. Física 2008 65536 Qualidade da imagem (resolução lateral) depende da quantidade de pontos . A imagem do AFM (MultiMode, Veeco) pode ter até 512 x 512 pontos. É uma imagem de 16 bits - pode armazenar 216 ( ) valores diferentes.

11 AFM em UHV R. Prioli – Depto. Física 2008

12 Microscopia de força atômica
R. Prioli – Depto. Física 2008

13 R. Prioli – Depto. Física 2008 AFM & Raman Lab

14 Forças Intermoleculares
R. Prioli – Depto. Física 2008 Simulação da força de interação entre um átomo da ponta e um átomo da superfície em função de sua distância obtida através do uso do potencial de Lennard-Jones

15 AFM R. Prioli – Depto. Física 2008

16 Sistemas de medida R. Prioli – Depto. Física 2008 Sistemas de medida da deflexão de cantilevers de AFM

17 Deflexão do feixe de laser
R. Prioli – Depto. Física 2008 Sistema de detecção por deflexão de feixe de laser mais utilizado em AFMs. Ele permite alta resolução, e em geral é utilizado em sistemas onde a amostra é varrida. A distância entre o cantilever e o detector, i.e., o caminho ótico é importante para a sensibilidade do sistema. O microscópio Multimode do INPE utiliza este sistema.

18 Deflexão do feixe de laser
R. Prioli – Depto. Física 2008

19 Calibração dos cantilevers
R. Prioli – Depto. Física 2008 Cantilevers retangulares podem ser facilmente calibrados. Suas dimensões (largura e comprimento) podem ser medidas em um microscópio ótico enquanto que sua espessura pode ser medida em um microscópio eletrônico. Utilizando a teoria da elasticidade temos que a constante elástica de deflexão do cantilever retangular é :

20 Cantilevers R. Prioli – Depto. Física 2008 Embora mais trabalhosa a calibração dos cantilevers triangulares também pode ser realizada através da medida de sua geometria. Deve-se notar aqui que não importando a geometria da ponta é importante que a calibração seja rápida e de todas as informações necessárias para a experiência a ser realizada. È também comum a utilização de mais de um método (teórico ou experimental ) para o controle das constantes.

21 Calibração dos cantilevers
R. Prioli – Depto. Física 2008 Adaptação do método para as necessidades de aplicação do laboratório. Na PUC-Rio por exemplo dois métodos de calibração são utilizados para a determinação das constantes de mola. O primeiro método é geométrico (a) e o segundo é dinâmico onde a constante é determinada através da freqüência de ressonância do cantilever.

22 Calibração 2008 R. Prioli – Depto. Física
J. E. Sader and E. White, “Theoretical analysis of the static deflection of plates for atomic force microscope applications,” Journal of Applied Physics 74 (1), 1-9 (1994). J. E. Sader, “Parallel Beam Approximation For V-Shaped Atomic Force Microscope Cantilevers,” Review of Scientific Instruments 66 (9), (1995). G Chen, R Warmack, T Thundat et al., “Resonance Response of Scanning Force Microscopy Cantilevers,” Rev. Sci. Instrum. 65 (8), (1994). G. Y. Chen, R. J. Warmack, A. Huang et al., "Harmonic Response Of Near-Contact Scanning Force Microscopy", Journal of Applied Physics 78 (3), (1995). A. Tori, S. Minoru, K. Hane et al., “A method for determining the spring constant of cantilevers for atomic force microscopy,” Meas. Sci. Technol. 7, (1996). T. J. Senden and W. A. Ducker, “Experimental Determination Of Spring Constants In Atomic Force Microscopy,” Langmuir 10 (4), (1994). C. T. Gibson, G. S. Watson, and S. Myhra, “Determination Of The Spring Constants Of Probes For Force Microscopy/Spectroscopy,” Nanotechnology 7 (3), (1996). J. E. Sader, I. Larson, P. Mulvaney et al., “Method For The Calibration Of Atomic Force Microscope Cantilevers,” Review of Scientific Instruments 66 (7), (1995). J. L. Hutter and J. Bechhoefer, “Calibration Of Atomic-Force Microscope Tips,” Review of Scientific Instruments 64 (7), (1993). J Cleveland and S Manne, “A nondestructive method for determining the spring constant of cantilevers for scanning force microscopy,” Rev. Sci. Instrum. 64 (2), (1993).

23 Raio da ponteira do AFM R. Prioli – Depto. Física 2008 Na figura acima apresentamos duas pontas de AFM especialmente preparadas para alta resolução. (a) ponta de Si atacada quimicamente e (b) ponta feita com nanotubo de carbono. Devido a convolução entre ponta e superfície é importante que o raio efetivo da ponta do AFM seja menor do que a estrutura observada.

24 Convolução R. Prioli – Depto. Física 2008 Modelo de uma superfície contendo asperezas de raio Rs sendo “visualizada” com uma ponta de raio R. Como R > Rs, a imagem apresenta a geometria da ponteira e não da superfície da amostra. Para visualizar a superfície é necessário que R < Rs!

25 Raio da ponteira do AFM R. Prioli – Depto. Física 2008 2μmX2μm

26 Convolução R. Prioli – Depto. Física 2008

27 Modos de operação R. Prioli – Depto. Física 2008 Os modos de operação do microscópio podem ser definidos em função do tipo de interação resultante da interação entre os átomos da ponta do microscópio e átomos da superfície. Se predominantemente repulsiva o modo de operação é chamado de contato, se atrativa o modo é chamado de não contato, e se a interação oscilar entre repulsiva e atrativa o modo é chamado de contato intermitente ou “tapping mode”.

28 Operação em contato R. Prioli – Depto. Física 2008 A operação no modo de contato pode ser realizada com o auxílio do sistema de controle, mantendo então a força constante entre a ponta e a superfície durante a varredura ou sem o sistema de controle mantendo então a altura constante. No primeiro modo obtemos a topografia real da superfície, enquanto no segundo modo medimos a deflexão do cantilever, variação da força normal sobre a superfície.

29 Operação em contato R. Prioli – Depto. Física 2008

30 Operação em contato R. Prioli – Depto. Física 2008

31 Força normal R. Prioli – Depto. Física 2008 É importante observar que durante a operação em contato, apenas alguns átomos da ponta e da superfície estão sentindo esta interação repulsiva, existem como mostrado na figura (b) átomos sentindo uma interação atrativa. Esta interação irá contribuir para a força normal aplicada entre a ponta e a superfície.

32 Operação em não-contato
R. Prioli – Depto. Física 2008 A operação no modo de não contato pode ser realizada com o auxílio do sistema de controle, mantendo então a amplitude de vibração da ponta constante durante a varredura. Este modo opera basicamente através da medida de forças de interação de longo alcance como Van der Waals, forças magnéticas (MFM) ou eletrostáticas (EFM).

33 Operação em não-contato
R. Prioli – Depto. Física 2008

34 Amplitude, fase, ou freqüência
R. Prioli – Depto. Física 2008 Ao aproximarmos a ponta do AFM sobre a superfície, a força de interação provoca a variação na freqüência de vibração do sistema (a). Esta variação juntamente com a variação de amplitude (b) ou fase do sinal podem ser usados pelo controle para a observação da superfície.

35 Variação da freqüência
R. Prioli – Depto. Física 2008 A freqüência de oscilação da ponta varia com a distancia como apresentado acima, esta variação pode ser entendida através da analise da constante de mola efetiva do sistema ponta-superfície. A inflexão ocorre devido ao início da contribuição das forças repulsivas entre ponta e superfície.

36 Operação do AFM em tapping
R. Prioli – Depto. Física 2008 A operação no modo de tapping pode ser realizada com o auxílio do sistema de controle, mantendo então a amplitude, ou fase constantes durante a varredura. A ponta do AFM é vibrada com grande amplitude e o sinal é predominantemente influenciado por interações repulsivas de curto alcance.

37 Medida de amplitude em tapping
R. Prioli – Depto. Física 2008 A variação na interação de puramente atrativa (L) para atrativa e repulsiva (H) provoca uma instabilidade no sistema de controle devido a descontinuidade na variação da amplitude com a distancia. Esta instabilidade aparece nas imagens como círculos ou riscos em torno dos objetos observados.

38 Aplicações do AFM (contato)
R. Prioli – Depto. Física 2008 friction at nano-escale Nanotribology Correlation between friction and wear Correlation between mechanical and tribological properties Nanolithography Nano-fabrication

39 Aplicações do AFM (Não-contato)
R. Prioli – Depto. Física 2008 Resolução atômica Não -Contato Força magnética Force elétrica Tapping mode Propriedades mecânicas

40 Aplicações do STM Tunneling Microscopy Tunneling spectroscopy 2008
R. Prioli – Depto. Física 2008 Resolução atômica Tunneling Microscopy Semicondutores 100 nm Carbono Tunneling spectroscopy Densidade de estados 40