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Derivano tutte dall’invenzione del microscopio STM fatta da Binnig e Rohrer 1982 (premi Nobel nel 1987).
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Derivano tutte dall’invenzione del microscopio STM fatta da Binnig e Rohrer 1982 (premi Nobel nel 1987). In queste microscopie, una sonda è avvicinata entro pochi Angstrom (1 Å = 0.1 nm = 10-10 m) dall’oggetto in esame e viene mossa in modo periodico su una certa area, fino ad ottenere una “immagine” della superficie. La grandezza fisica che viene misurata è una corrente elettrica (STM) o una forza (AFM, MFM) o una intensità di radiazione (SNOM) o altre grandezze come la temperatura
Metallo 1 Metallo 2 0.5 nm Il microscopio STM si basa sull’ effetto tunnel, che è un effetto quantistico (non esiste corrispettivo classico): Un elettrone può passare da un metallo ad un altro attraversando uno spazio vuoto. Si può quindi generare e misurare una corrente che fluisce tra i due metalli, anche se non sono in contatto fisico. L’esistenza dell’ effetto tunnel fu provata sperimentalmenteda Josephson tra due metalli superconduttori separati da una barriera di ossido isolante e da Giaver tra due metallinormali, separati anch’essi da una barriera di ossido.
Per avere una buona risoluzione spaziale, uno dei due metalli (la sonda) deve avere la forma di un sottile ago (tip). Idealmente, un tip con un apice il più piccolo possibile (un atomo) consente una risoluzione spaziale di qualche centesimo di nm (un atomo/molecola ha un diametro di circa 1 – 10 Å ) Esiste una relazione di tipo esponenziale tra la corrente che fluisce I e la distanza z z
Per realizzare in pratica un microscopio STM, occorre risolvere una serie di problemi non banali (almeno in teoria). Uno schema comune a tutti i microscopi SPM è il seguente: Sistema di avvicinamento Sonda Ceramica piezoelettrica Elettronica di controllo
Il sistema di avvicinamento consente di portare la sonda in prossimità del campione da analizzare. L’elettronica di controllo misura la corrente che fluisce tra sonda e superficie (nel caso di STM) o qualche altro parametro rilevante (nel caso di altri tipi di microscopio SPM) e agisce in modo da mantenere costante tale parametro, inviando opportuni segnali elettrici alla ceramica piezolettrica. La ceramica piezoelettrica (generalmente a forma di tubo) è il vero cuore del sistema, perché consente di effettuare gli opportuni spostamenti nanometrici in verticale ed in orizzontale.
Le ceramiche piezoelettriche trasformano deformazionemeccanica in campo elettrico o viceversa • L’ effetto piezoelettrico deriva dall’ordinamento di dipolielettrici all’interno di un materiale • Per certi versi, è simile all’ ordinamento ferromagnetico-> esiste una temperatura critica (circa 150 °C) al di sopra della quale la ceramica perde le sue caratteristiche piezoelettriche. • L’ordine di grandezza è 1 V / 5 nm
Se consideriamo il caso STM, abbiamo visto che la corrente dipende in modo esponenziale dalla distanza tip-superficie. Se faccio muovere il tip lungo la superficie, ed il tip incontra un gradino, la corrente aumenta fortemente. L’elettronica di controllo avverte questo aumento di corrente ed alza il tip fino a tornare al valore pre-impostato, mandando l’opportuno segnale alla ceramica piezoelettrica. Pertanto, il valore dei segnali inviati alla ceramica è una sorta di mappa dell’altezza della superficie (esempio di controreazione)
Immagini ottenute con un microscopio STM: molecole di C60 depositate su una superficie di Ag. Ogni punto bianco è una molecola (diametro circa 0.7 nm). Impossibile con microscopio ottico !
Con manipolazione atomica, si intende la possibilità di disporre atomi in posizioni prederminate, allo scopo di ottenere nuove strutture e nuovi dispositivi. Con STM è possibile manipolare atomi o molecole Consideriamo un atomo su una superficie: esso subirà una forza di interazione con la superficie (legame chimico). D’altra parte, l’atomo risente anche dell’interazione con il tip, dovuta a forze elettrostatiche, di Van der Waals, magnetiche … Dato che la forza tra tip ed atomo dipende dalla tensione applicata tra punta e superficie, mentre quella tra atomo e superficie è indipendente da essa, è possibile muovere atomi variando opportunamente la tensione applicata.
In altre parole, è possibile spostare molecole usando la punta di un STM tramite opportune variazioni della tensione. E’ un approccio molto empirico.
In questo caso, si vuole realizzare un “quantum corral” , cioè una disposizione simmetrica di atomi in cui possono essere evidenziate le onde elettroniche. L’esperimento è fatto disponendo con STM atomi di Ag su di una superficie di Ag. Ogni “colonna” bianca rappresenta 1 atomo.
Pochi anni dopo l’invenzione di STM, dallo stesso gruppo venne l’idea di un microscopio a forza atomica AFM. Questo si basa sull’interazione tra un tip e gli atomi di una superficie, dovuta principalmente alle forze di Van derWaals presenti. In questo caso, si misura la deflessione meccanica di una sottile leva (cantilever), che termina con un tip nanometrico.
Regione di contatto leva deformata in su Tipica curva forza-distanza tra un tip ed una superficie: quando la punta è molto distante, la forza di interazione è piccola; vicino alla superficie, la punta viene attratta; ad un certo punto, l’interazione cambia forma e la punta viene respinta. Regione di non interazione leva piatta Regione di attrazione leva deformata in giù
Per misurare la forza di interazione, si utilizza un cantilever (in genere di SiN3) accoppiato con un sistema di leva ottica. Possono essere utilizzati anche cantilever piezoelettrici o altri metodi di detezione della deflessione.
tip Immagine di un cantilever per microscopio AFM
Immagine della superficie della grafite vista con AFM: ogni “collina” rappresenta un singolo atomo di Carbonio.
La microscopia AFM è oggi molto utilizzata anche in biologia DNA
Approfondimenti • Per i docenti e gli studenti: • Edumat, cap. 5: SEM,TEM e i microscopi a stilo in questo capitolo ci sono svariati collegamenti, tra cui quelli alla meccanica quantistica e all’effetto piezoelettrico • Per i docenti: • Un sito particolarmente ricco di links è il seguente:http://www.mwrn.com/resources/nano/spm.htm
