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O MUNDO NANO ATRAVÉS DA MICROSCOPIA DE FORÇA ATÔMICA E TUNELAMENTO

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O MUNDO NANO ATRAVÉS DA MICROSCOPIA DE FORÇA ATÔMICA E TUNELAMENTO. 2008. R. Prioli – Depto. Física. Prof. Rodrigo Prioli. prioli@vdg.fis.puc-rio.br. 2008. R. Prioli – Depto. Física.

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o mundo nano atrav s da microscopia de for a at mica e tunelamento

O MUNDO NANO ATRAVÉS DA MICROSCOPIA DE FORÇA ATÔMICA E TUNELAMENTO

2008

R. Prioli – Depto. Física

Prof. Rodrigo Prioli

prioli@vdg.fis.puc-rio.br

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2008

R. Prioli – Depto. Física

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.

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Bibliografia

2008

R. Prioli – Depto. Física

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).

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Histórico

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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®”
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Princípio

2008

R. Prioli – Depto. Física

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 movimentadonão limita o tamanho da amostra mas apresenta baixa resolução espacial.
  • Sistemas onde a amostra é movimentadalimita o tamanho da amostra mas apresenta alta resolução espacial.
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Campo Próximo

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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:
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O que podemos medir ?

2008

R. Prioli – Depto. Física

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Design do SPM

2008

R. Prioli – Depto. Física

Nanoscope IIIa

Analógico

AFM

STM

Tip

Digital

Analógico

Computador

+

Placa DSP

X-Y-Z

Piezo

Sistema Anti-vibratório

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Formação da Imagem

Lento

Rápido

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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.

Força,

corrente,

condutividade.

Pixel

(0,0, força)

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A imagem

2008

R. Prioli – Depto. Física

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 ( 65536 ) valores diferentes.
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AFM em UHV

2008

R. Prioli – Depto. Física

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Microscopia de força atômica

2008

R. Prioli – Depto. Física

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2008

R. Prioli – Depto. Física

AFM & Raman Lab

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Forças Intermoleculares

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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
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AFM

2008

R. Prioli – Depto. Física

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Sistemas de medida

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • Sistemas de medida da deflexão de cantilevers de AFM
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Deflexão do feixe de laser

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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.
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Deflexão do feixe de laser

2008

R. Prioli – Depto. Física

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Calibração dos cantilevers

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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 :
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Cantilevers

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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.
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Calibração dos cantilevers

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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.
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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), 4583-4587 (1995).
  • G Chen, R Warmack, T Thundat et al., “Resonance Response of Scanning Force Microscopy Cantilevers,” Rev. Sci. Instrum. 65 (8), 2532-2537 (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), 1465-1469 (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, 179-184 (1996).
  • T. J. Senden and W. A. Ducker, “Experimental Determination Of Spring Constants In Atomic Force Microscopy,” Langmuir 10 (4), 1003-1004 (1994).
  • C. T. Gibson, G. S. Watson, and S. Myhra, “Determination Of The Spring Constants Of Probes For Force Microscopy/Spectroscopy,” Nanotechnology 7 (3), 259-262 (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), 3789-3798 (1995).
  • J. L. Hutter and J. Bechhoefer, “Calibration Of Atomic-Force Microscope Tips,” Review of Scientific Instruments 64 (7), 1868-1873 (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), 403-405 (1993).
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Raio da ponteira do AFM

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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.
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Convolução

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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!
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Raio da ponteira do AFM

2μmX2μm

2008

R. Prioli – Depto. Física

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Convolução

2008

R. Prioli – Depto. Física

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Modos de operação

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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”.
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Operação em contato

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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.
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Operação em contato

2008

R. Prioli – Depto. Física

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Operação em contato

2008

R. Prioli – Depto. Física

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Força normal

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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.
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Operação em não-contato

2008

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  • 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).
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Operação em não-contato

2008

R. Prioli – Depto. Física

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Amplitude, fase, ou freqüência

2008

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  • 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.
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Variação da freqüência

2008

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  • 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.
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Operação do AFM em tapping

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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.
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Medida de amplitude em tapping

2008

R. Prioli – Depto. Física

  • 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.
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Aplicações do AFM (contato)

2008

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friction

at nano-escale

Nanotribology

Correlation between friction and wear

Correlation between mechanical and tribological properties

Nanolithography

Nano-fabrication

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Aplicações do AFM (Não-contato)

2008

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Resolução atômica

Não -Contato

Força magnética

Force elétrica

Tapping mode

Propriedades mecânicas

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Aplicações do STM

100 nm

2008

R. Prioli – Depto. Física

Resolução atômica

Tunneling Microscopy

Semicondutores

Carbono

Tunneling spectroscopy

Densidade de estados

40