Microscopia de Varredura por Sonda – SPM

Tunelamento – STMForça atômica - AFM

Elen Leal da Silva

Matias de Angelis Korb

Sandra Raquel Kunst

Disciplina: Materiais e Superfícies

Prof. Annelise Kopp Alves

INTRODUÇÃO

Precursor: perfilômetro.

STM (Scanning Tunneling Microscope): Binning, Gerd e Rohrer, 1981 (IBM- Suiça): 1º Instrumento a produzir imagens reais a nível atômico.

AFM (Atomic Force Microscope): Binning, Quate e Gerber , 1985.

Aumento: 109

Características: topográficas de superfície, como rugosidade de superficie, tamanho de grão, fractais, espessura de filmes finos, caracterização tridimensional de micro e nanoestruturas, e determinação de regiões micrométricas e nanométricas de domínios magnéticos.

Microscópios de varredura por sonda (SPM)

INTRODUÇÃOMeios de magnificação

Aumento Meio Imagem

Microscópio ótico 103 Ar,líquidos 2-D

Varredura laser 104 Ar 2-D

Feixe de íons 105 Vácuo 2-D

SEM 106 Vácuo 2-D

SPM 109 Líquido, ar, vácuo 3-D

Vantagens do AFMO AFM em comparação a um microscópio eletrônico de varredura(MEV), fornece uma imagem tridimensional da superfície diferentemente do microscópio eletrônico que faz uma projeção bidimensional ou uma imagem bidimensional de uma determinada amostra.

Exemplo: aço galvanizado sem revestimento

Vantagens do AFM

Investigações de não apenas materiais condutores mas também isolantes, pois o AFM não utiliza corrente de tunelamento para a formação das imagens.

Análise de qualquer tipo de material

Na análise é utilizado um pequeno volume de amostra, possuindo uma preparação da amostra simples ou desnecessária, não é necessário nenhum tratamento especial (como metal ou revestimento de carbono) que poderia alterar ou danificar a amostra.

Vantagens do AFM

Possibilidade de analise diversificados ambientes, inclusive na atmosfera (temperatura ambiente e em presença do ar) ou até mesmo em líquidos, diferentemente de um microscópio eletrônico que precisa de um ambiente de vácuo caro para o seu bom funcionamento. O uso do AFM reduz o preço da análise.

Pode ser utilizado para acompanhar processos porque possui baixo tempo de análise

A alta resolução AFM é compatível a resolução do microscópio de tunelamento e o de microscopia eletrônica de transmissão.

Limitações da AFMVibrações podem atrapalhar, ou seja, o som ambiente, vibrações mecânicas (como pessoas circulando em um recinto) e até mesmo a rede elétrica podem ser interferentes na análise. Por isso o equipamento deve ser montado em uma mesa com um sistema de amortecimento em uma sala fechada.

O AFM requer uma coleção de imagens e com isso uma limitação na sua velocidade.

A presença de contaminantes na superfície podem conduzir a uma imagem irreal

O movimento da ponta do AFM pode ocasionar alterações na superfície.

A imagem é a convolução da forma da ponta com a superfície, diferentes pontas podem ocasionalmente gerar diferentes imagens.

Princípios Básicos - SPMO princípio básico desta técnica, de medir forças ou interações entre

uma ponteira e a superfície da amostra, resultou na criação de outros microscópios (“Scanning Probe Microscope” - SPM), como microscopia de força magnética (MFM), força de imersão (DFM), força de fricção (FFM) e força eletrostática (EFM). Atualmente existe a tendência de combinar métodos diferentes tais como, STM/AFM, AFM/MFM, AFM/FFM. Isso proporciona a oportunidade de uma caracterização mais completa em escala atômica, através das informações obtidas simultaneamente pelos vários métodos.

Componentes básicos: Sonda (ponta de prova): muito próxima a superfície. Cerâmicas piezoelétricas. Sistema de detecção de posição. Eletrônica/computador

Formação da Imagem - SPM

A ponta executa uma varredura em linha.

Imagem é composta de várias linhas.

Ao contrários dos microscópios tradicionais, os SPMs não utilizam lentes.

Imagem: interação ponta/superfície.

Microscopias de sonda: Tunelamento (STM ) e Força atômica (AFM)

Microscópio Interação Informação

STM Corrente de tunelamento Topografia 3-D, tamanho e formas de objetos,

rugosidade, estrutura eletrônica.

AFM Força intermolecular Topografia 3D, tamanho e forma de objetos,

rugosidade, propriedades mecânicas.

Modo Material da ponta Tipo de amostra

STM Tungstênio, platina-irídio Condutora/semicondutora

AFM Silício, nitreto de silicio Sem restrições

Microscopia de tunelamento – STMPrincipio de funcionamento

Entre a ponta condutora muito fina (tungstênio ou platina-irídio) e amostra (condutora ou semicondutora) é aplicada uma pequena diferença de potencial da ordem de mV, havendo passagem de uma corrente de tunelamento, que deve ser mantida constante durante a varredura pelo sistema de controle. A corrente de tunelamento medida depende exponencialmente da distância ponta/amostra e portanto muda conforme a sonda passa por pontos de diferentes alturas. O controle aciona então o scanner (atuador responsável pelos movimentos da amostra em x, y e z) para que a posição vertical z seja alterada de forma a corrigir a diferença entre o valor da corrente medida e a definida no sistema (setpoint da ordem de nA), para cada ponto x,y medido na superfície da amostra. O conjunto dos pontos de coordenadas x, y e z formará a imagem topográfica da superfície da amostra. O STM é a técnica de maior resolução, podendo chegar à resolução atômica.

Microscopia de tunelamento – STM

• Uma ponta de tungstênio muito fina é posicionada quase tocando a superfície da amostra condutora.

• Quando a distância d de separação entre ponta-amostra se aproxima de 10Å, os elétrons da superfície da mostra começam a tunelar para a ponta e vice versa, dependendo da polaridade de voltagem aplica entre as mesmas, com isso gerando uma corrente (corrente de tunelamento).

• O sensor de tunelamento mede a corrente I que passa entre a amostra e a sonda metálica, posicionada quase tocando a superfície da amostra

Corrente de tunelamento

d= 10Å

Microscopia de Força Atômica - AFM

Utilização:

• Processamento e análise de materiais em áreas como eletrônica, telecomunicações, biomédica, química, indústria automobilística, aeroespacial e energia.

• Materiais: revestimento à base de filmes finos e espessos, cerâmicas, compósitos, vidros, membranas sintéticas e biológicas, metais, polímeros e semicondutores.

• Gerar imagens de superfícies em escala atômica.

• Medir forças de interação da ordem de nanonewtons.

Medir atributos muitos pequenos ( de um átomo de C até um fio de cabelo): 0,25 nm

até 80 µm.

Microscopia de Força Atômica - AFMPrincípio de funcionamento

O princípio de funcionamento de um microscópio de força atômica é baseado na reflexão da luz de um feixe de laser por um espelho. Após a reflexão, a luz do laser passa por uma lente e incide sobre um fotodetector.

Componentes:

Laser Espelho Fotodetetor Amplificador Registrador Amostra + cerâmica piezoelétrica Ponta sensora Cantilever

Microscopia de Força Atômica - AFMPrincípio de funcionamento

Uma ponta presa a um cantilever varre a superfície da amostra, através de uma cerâmica piezoelétrica que a movimenta. Um laser incide sobre o cantilever e é refletido para um conjunto de foto-detectores. O sinal elétrico obtido é realimentado para o computador mantendo constante a deflexão do cantilever (modo de contato) ou a amplitude de oscilação (modo contato intermitente ou não-contato). As correções na altura z são então gravadas juntamente com as respectivas posições x,y da amostra, gerando a imagem topográfica da amostra. 

Microscopia de Força Atômica - AFMModos de operação

Modos de operação: Força de interação :

o Contato Fortemente repulsiva - força ou distância constante

o Dinâmico Fracamente atrativa – ponta

vibrando

Exemplos de Aplicação

Amostra de aço inoxidável ferrítico lixado até #600

Exemplos de Aplicação

Amostra de aço inoxidável ferrítico oxidado por 48h ao ar.

Exemplos de Aplicação

Amostra de aço inoxidável ferrítico revestido com revestimento cerâmico.

Exemplos de Aplicação

Imagens de AFM em 3D para os sistemas: (a) aço galvanizado, (b) silano sem TEOS and (c) silano com TEOS.

c)b)a)

AmostrasRugusidade da AFM

Ra (µm) Rms (µm) Peak to peak (µm)

Aço galvanizado 4.99 ± 0.5 5.97 ± 0.6 5.64 ± 4.3

Silano sem teos 0.88 ± 0.7 1.15 ± 0.9 4.46 ± 3.1

Silano com teos 0.17 ± 0.1 0.13 ± 0.1 1.09 ± 0.2

Diferença de composição

Referências

Apostila: Microscópio de Tunelamento com Varredura (STM) e Microscópio de Força Atômica (AFM). Fabiano Carvalho Duarte

Apostila: Microscopia de Ponta de Prova . MHPM – 11/2010

http://fap01.if.usp.br/~lff/spm.html

http://www.lsi.usp.br/~acseabra/pos/5838_files/AULA_%20SCANNING%20PROBE%20MICROSCOPE.pdf

http://www.cbpf.br/~nanos/Apostila/01.html

http://www.instrutecnica.com/v2/represen/Nanosurf/index.html