Microscopia de for atomic

Microscopia de for atomic

Studente: Munteanu Maria Petre Mdlina Grupa: 1041 B

Universitatea Politehnica BucuretiFacultatea de tiina i Ingineria MaterialelorSpecializarea Inginerie MedicalMicroscopiacuForAtomic(AFM)adevenitceamaifolosittehnica SPM-ului(Scanning ProbeMicroscopy), ea servinddoarpentruanalizatopograficasuprafeelor.AFM-ulafostinventatin1986, fiindproduscomercialpentruprimadatin1989dectreDigitalInstruments.Cu ajutorulAFM-ului se pot obine imagini tridimensionalealesuprafeelor (izolatoaresauconductoare)cuorezoluienano-lateralisubangstromvertical.MareleavantajalAFM-ului estec poate opera n aer,vid ilichide la diferite temperaturi.Acestaparatesteutilizatattncercetareafundamental,ctilascal maimare,nindustrieAFMulavndunroldeosebitdeimportantndezvoltarea nanotehnologiei.

Microscopia de for atomic

un cantilever prevzut cu un vrf ascuitun scanner care controleaz poziionarea pe axele x-y-zun laser cu semiconductorun fotodetectorcircuit de control al reaciei

Componentele unui microscop cu fore atomice

Principiul de funcionareFig.1 SchiafuncionalaAFM-ului Sonda microscopului cu for atomic este alcatuit dintr-o lamela sub forma de cruce, alungit si elastic, numit cantilever, cu dimensiuni de ordinul zecilor de microni, n capatul careia este plasat un ac ascuit, perpendicular pe cantilever. Cantileverul este miscat n plan xy i vertical de un sistem de poziionare piezoelectric, cu precizia n jur de 5 nm orizontal i pn la 10 pm vertical. n timp ce acul baleiaz suprafaa, micndu-se n sus i n jos odat cu conturul acesteia, o raz laser cade oblic pe partea superioara (puternic reflectatoare) a cantileverului i se reflect ctre un senzor alctuit din dou fotodiode alturate. Diferena dintre semnalele celor dou diode indic pozitia spotului laser pe senzor si deci pozitia pe vertical a cantileverului. Deoarece distanta ntre cantilever si detector este de obicei de mii de ori mai mare dect lungimea cantileverului, sistemul realizeaza o marire a deplasrii cu un factor de peste 2000, usor de masurat.Principiul de funcionare Acul cu un varf foarte ascutit (in vrf se afla ctiva atomi), montat pe cantilever se deplaseaz pe suprafaa probei dup un rastru de baleiaj. Vrful acului face ca latura cantilverului care l conine s se deformeze in funcie de forele care actioneaz asupra sa. Aceste fore sunt intr-o strict relaie cu harta topografic a probei studiate. Vrful este apropiat de prob pn cnd intre acesta si molecule din prob se stabilete o fort din categoria fortelor van der Waals, bazate in primul rnd pe forele electrostatice dintre particulele incrcate ale acului si probei. Aceasta forta, in funcie de denivelrile de la suprafaa probei, respinge sau atrage vrful. Cantileverul sesizeaz aceste deplasri pe axa z, si in baza lor, alturi de ofsetul (x,y) cruia ii este asociata forta care actioneaza asupra vrfului pe axa z, unitatea de calcul asociata microscopului cu forte atomice poate alctui a harta topografica a probei.

Principiul de funcionare In timp ce cantileverul se deformeaz, lumina provenit de la un laser este reflectat pe o fotodiod splitata. Msurnd diferena de semnal (A-B), deformrile cantilverului pe axa z pot fi observate si msurate foarte precis.Din moment ce cantileverul respecta legea lui Hooke pentru mici deplasamente, se regaseste o forta de interactie intre vrf si proba .

Principiul de funcionare7Deplasarea vrfului sau a probei este realizata cu ajutorul unui dispozitiv de poziionare deosebit de precis realizat din ceramici piezo-electrice, cel mai adesea sub forma unui scanner tub. Scanner-ul este capabil de rezoluii sub nivelul unui Angstrom pe direciile axelor x,y si z. In mod convenional, axa z, este perpendicular pe proba. Mecanismul de detecie a semnalului sondei actioneaza asupra circuitului de reactie care, la randul su, actioneaz asupra traductorului piezoelectric ce actioneaza intr-un mod foarte fin asupra suportului probei, in functie de modul de lucru dorit.

n figura 2 se poate observa ce se ntmpl la suprafaa de contact dintre vrf si proba :

Interacia vrf- prob

Fig. 2 Interacia vrf- prob Interacia dintre vrf si prob are la baza forele van der Waals, datorate, in special, forelor electice dintre particulele ncrcate de pe suprafeele probei si respectiv sondei de explorare (varful acului). In figura 3 este prezentat evoluia forele van der Waals cu distana.

Fig. 3 Evolutia fortelor van der Waals cu distanta dintre vrf si suprafata probei.10 Pe msur ce atomii sunt apropiati in mod gradat, acestia se atrag slab intre ei . Atractia creste pn cnd atomii sunt att de apropiati inct norul de electronii de pe orbit incep s se resping. Aceast respingere electrostatic slbeste din ce in ce mai mult forta de atractie pe msur ce distanta interatomic continu s se micsoreze. Forta devine zero cnd distanta atinge ctiva Angstromi. Modul in care contrastul unei imagini este realizat poate fi obinut n mai multe modaliti. In microscopia cu forte atomice avem trei tipuri de interactie intre vrful cantileverului si prob:

modul contact modul contact intermitentmodul non-contact

Interacia vrf- prob Este cel mai comun mod de operare al microscopului cu forte atomice. Precum este sugerat si de numele acestui mod, vrful si proba rmn in contact strns din momentul nceperii scanrii pana la sfrsitul acesteia. Prin contact se intelege un regim de respingere al curbei aferente forei inter-moleculare, precum este prezentat in figura 4.

Modul contact

Fig. 4. AFM in mod de lucru contactIat cteva caracteristici importante ale modului contact :

Face posibil vizualizarea informaiei 3D despre suprafaa unei probe in mod nedistructiv 1.5 nm rezoluie lateral0.05 nm rezoluie verticalForte puternice de respingere actioneaz intre vrf si prob Necesit un procedeu de pregtire a probei foarte simpluIn cadrul acestui mod se pot analiza dielectrici si conductoare cu usurintaMicroscopul cu forte atomice nu se bazeaz pe conductivitate .Nu necesit procedee precum ptarea sau umbrirea, necesare pentru studiul acestui tip de materiale in cadrul unor altor tipuri de investigaii asupra lorOpereaz att in mediu gazos , cat si in mediu fluid .Fluid = mediu controlat de natura lichida si specimene hidratate Pune la dispozitie informaiei despre proprietatile fizice Elasticitate , Adeziune , Duritate , Frecare etc.

Este cel mai folosit mod dup modul contact. Cnd opereaz in aer sau in alte medii gazoase , cantileverul oscileaza la frecventa sa de rezonanta (mrime de ordinul sutelor de de KHz) si este poziionat deasupra suprafeei astfel nct va intra in contact cu aceasta doar o mica fracie de timp din perioada sa de oscilaie . Acesta este tot un mod contact , precum si cel descrise mai devreme , dar perioada scurta de timp in care contactul propriuzis are loc nseamn ca forele laterale sunt reduse considerabil pe parcursul deplasrii vrfului pe suprafaa probei.

Modul contact intermitent

Fig. 5. AFM in modul contact intermitentCteva caracteristici importante ale modului contact intermitent sunt: Decalajul fazelor poate msura proprietatile ce in de compoziie, adeziune, friciune, elasticitateSe pot identifica structurile amestecurilor de polimeri Este mai puin duntore probelor de consistenta nu foarte dura dect modul contact

Acest mod este o alt metod care poate fi aleasa in investigaia unei probe cu ajutorul microscopului cu forte atomice.

Modul non-contact

Fig.6. AFM in mod non- contact

Cantileverul trebuie baleiat deasupra suprafeei probei, la o distanta la care nu mai este in regim de respingere. Acest mod este un mod in care se opereaz destul de dificil in condiiile ambiente. In modul ambient, pe suprafaa probelor se formeaz un strat mic de apa care va ncerca in permanenta sa formeze o punte capilara intre vrf si proba cauznd ca vraful sa fie in permanenta tentat de a sari in modul contact. Chiar si in lichide sau in vid, faptul ca vrful este posibil sa sar din cnd in cnd in contact cu proba este destul de probabil, iar imaginea obinuta sa nu fie la urma urmei dect o imagine obinuta intr-o forma derivata a contactului intermitent.

Reuita acestui mod tine foarte mult de consistenta probei, si mediul in care se desfasoara investigaia .Modulnon-contact:eliminforteledefrecarereducandlazerorisculdeazgariasuprafeemoimaresterezolutiaimaginilorobtinuteinurmascanarii.Fa de alte sisteme de microscopie, microscopul de for atomic mai prezint urmtoarele avantaje eseniale :Microscopul de for atomic face posibila vizualizarea imaginilor cu un contrast topografic extraordinar, pot fi fcute msurtori precise de nivel pe suprafaa probelor investigate (nu este necesara tratarea probelor).Imaginile tridimensionale sunt obinute fara o preparare costisitoare a probelor cu urmeaz a fi studiate si ofer informaii mult mai complete, dect profilele bidiminesionale obinute din probele tiate transversal.Microscopul cu forte atomice permite msurarea precisa a pragurilor de inaltime de pe suprafaa unei probe, msurare absolute independenta de reflectivitatea materialelor studiate.Avantaje prezentate de microscopia cu fore atomice

V mulumim pentru atenie !