miniatura|240x240px|Un AFM genera imatges escanejant una petita voladís sobre la superfície d'una mostra. La punta afilada de l'extrem de la voladís entra en contacte amb la superfície, doblegant la voladís i canviant la quantitat de llum làser reflectida al fotodíode. L'alçada de la voladís s'ajusta llavors per restaurar el senyal de resposta, fent que l'alçada de la voladís mesurada ressegui la superfície. La microscòpia de força atòmica (AFM) o microscòpia de força d'escombratge (SFM) és un tipus de microscòpia de sonda d'escombratge (SPM) de molt alta resolució, amb una resolució demostrada de l'ordre de fraccions de nanòmetre, més de 1000 vegades millor que el límit de difracció òptica.

Visió general La microscòpia de força atòmica (AFM) recopila informació "sentint" o "tocant" la superfície amb una sonda mecànica. Els elements piezoelèctrics que faciliten moviments petits però precisos i precisos sota comanda (electrònica) permeten una exploració precisa. Malgrat el nom, el microscopi de força atòmica no utilitza la força nuclear. miniatura|Un microscopi de força atòmica a l'esquerra amb un ordinador de control a la dreta

Habilitats i resolució espacial L'AFM té tres capacitats principals: mesurament de força, imatges topogràfiques i manipulació.

En la mesura de força, els AFM es poden utilitzar per mesurar les forces entre la sonda i la mostra en funció de la seva separació mútua. Això es pot aplicar per realitzar espectroscòpia de força, per mesurar les propietats mecàniques de la mostra, com ara el mòdul de Young de la mostra, una mesura de la rigidesa.

Per a la imatge, la reacció de la sonda a les forces que la mostra li imposa es pot utilitzar per formar una imatge de la forma tridimensional (topografia) d'una superfície de mostra a alta resolució. Això s'aconsegueix mitjançant l'escaneig ràster de la posició de la mostra respecte a la punta i el registre de l'alçada de la sonda que correspon a una interacció constant entre la sonda i la mostra.

Tot i que la publicació inicial sobre microscòpia de força atòmica de Binnig, Quate i Gerber el 1986 especulava sobre la possibilitat d'aconseguir una resolució atòmica, calia superar reptes experimentals profunds abans que Ohnesorge i Binnig demostrés la resolució atòmica de defectes i vores esglaonades en condicions ambientals (líquides) el 1993. La veritable resolució atòmica de la superfície de silici 7x7 va haver d'esperar una mica més abans que Giessibl la demostrés. La resolució subatòmica (és a dir, la capacitat de resoldre detalls estructurals dins de la densitat d'electrons d'un sol àtom) també s'ha aconseguit mitjançant AFM.

En la manipulació, les forces entre la punta i la mostra també es poden utilitzar per canviar les propietats de la mostra de manera controlada. Exemples d'això inclouen la manipulació atòmica, la litografia amb sonda d'escombratge i l'estimulació local de cèl·lules.

Simultàniament amb l'adquisició d'imatges topogràfiques, altres propietats de la mostra es poden mesurar localment i visualitzar com una imatge, sovint amb una resolució similarment alta. Exemples d'aquestes propietats són les propietats mecàniques com la rigidesa o la força d'adhesió i les propietats elèctriques com la conductivitat o el potencial superficial. De fet, la majoria de les tècniques SPM són extensions de l'AFM que utilitzen aquesta modalitat. miniatura|Microscopi de força atòmica

Altres tecnologies de microscòpia La principal diferència entre la microscòpia de força atòmica i tecnologies de la competència com la microscòpia òptica i la microscòpia electrònica és que l'AFM no utilitza lents ni irradiació de feix. Per tant, no pateix una limitació en la resolució espacial a causa de la difracció i l'aberració, i no cal preparar un espai per guiar el feix (creant un buit) ni tenyir la mostra.

Hi ha diversos tipus de microscòpia d'escombratge, incloent-hi l'SPM (que inclou AFM, microscòpia de túnel d'escombratge (STM) i microscòpia òptica d'escombratge de camp proper (SNOM/NSOM), microscòpia STED (STED) i microscòpia electrònica d'escombratge i AFM electroquímica, EC-AFM). Tot i que SNOM i STED utilitzen llum visible, infraroja o fins i tot de terahertz per il·luminar la mostra, la seva resolució no està limitada pel límit de difracció.

Configuració La figura 3 mostra un AFM, que normalment consta de les característiques següents.Patent US4724318 – Atomic force microscope and method for imaging surfaces with atomic resolution Els números entre parèntesis corresponen a les característiques numerades de la figura 3. Les direccions de les coordenades es defineixen mitjançant el sistema de coordenades (0). miniatura|Fig. 3: Configuració típica d'un AFM.(1) : Menasol, (2) : Suport per a la mènsula, (3) : Element piezoelèctric (per fer oscil·lar la mènsula a la seva freqüència pròpia), (4) : Punta (fixada a l'extrem obert d'una mènsula, actua com a sonda), (5) : Detector de desviació i moviment de la mènsula, (6) : Mostra que s'ha de mesurar mitjançant AFM, (7) : Accionament xyz (mou la mostra (6) i la plataforma (8) en les direccions x, y i z respecte a un vèrtex de la punta (4)), i (8) : Plataforma. El petit voladís en forma de ressort (1) està suportat pel suport (2). Opcionalment, un element piezoelèctric (normalment fet d'un material ceràmic) (3) fa oscil·lar el voladís (1). La punta afilada (4) està fixada a l'extrem lliure del voladís (1). El detector (5) registra la desviació i el moviment del voladís (1). La mostra (6) està muntada a la plataforma de mostra (8). Un accionament xyz (7) permet desplaçar la mostra (6) i la plataforma de mostra (8) en les direccions x, y i z respecte a l'àpex de la punta (4). Tot i que la figura 3 mostra l'accionament connectat a la mostra, l'accionament també es pot connectar a la punta, o es poden connectar accionaments independents a tots dos, ja que és el desplaçament relatiu de la mostra i la punta el que cal controlar. Els controladors i el plotter no es mostren a la figura 3.

Aplicacions L'AFM s'ha aplicat a problemes en una àmplia gamma de disciplines de les ciències naturals, incloent-hi la física de l'estat sòlid, la ciència i tecnologia dels semiconductors, l'enginyeria molecular, la química i física de polímers, la química de superfícies, la biologia molecular, la biologia cel·lular i la medicina.

Forces en funció de la geometria de la punta Les forces entre la punta i la mostra depenen en gran manera de la geometria de la punta. En els darrers anys s'han utilitzat diversos estudis per escriure les forces com a funció dels paràmetres de la punta.

Entre les diferents forces entre la punta i la mostra, les forces del menisc d'aigua són molt interessants, tant en ambients d'aire com líquids. Cal tenir en compte altres forces, com la força de Coulomb, les forces de van der Waals, les interaccions de doble capa, les forces de solvatació, la hidratació i les forces hidrofòbiques. miniatura|Model per a menisc aquàtic AFM

Menisc d'aigua Les forces del menisc d'aigua són molt interessants per a les mesures AFM a l'aire. A causa de la humitat ambiental, es forma una fina capa d'aigua entre la punta i la mostra durant les mesures a l'aire. La força capil·lar resultant dóna lloc a una forta força atractiva que atrau la punta cap a la superfície. De fet, la força d'adhesió mesurada entre la punta i la mostra a l'aire ambient amb humitat finita sol estar dominada per forces capil·lars. Com a conseqüència, és difícil allunyar la punta de la superfície. Per a mostres toves, incloent-hi molts polímers i, en particular, materials biològics, la forta força capil·lar adhesiva dóna lloc a la degradació i destrucció de la mostra en obtenir imatges en mode de contacte. Històricament, aquests problemes van ser una motivació important per al desenvolupament d'imatges dinàmiques a l'aire (per exemple, "mode de toc"). Durant la imatge en mode de toc a l'aire, encara es formen ponts capil·lars. Tot i això, per a condicions d'imatge adequades, els ponts capil·lars es formen i es trenquen en cada cicle d'oscil·lació del cantilever normal a la superfície, com es pot deduir d'una anàlisi de les corbes d'amplitud i fase vs. distància del cantilever. Com a conseqüència, les forces de cisallament destructives es redueixen en gran manera i es poden investigar mostres toves.

Per quantificar la força capil·lar d'equilibri, cal partir de l'equació de Laplace per a la pressió:

on γ L és l'energia superficial i r₀ i r₁ es defineixen a la figura.

La pressió s'aplica sobre una zona de

on θ és l'angle entre la superfície de la punta i la superfície del líquid mentre que h és la diferència d'alçada entre el líquid circumdant i la part superior del miniscus.

La força que uneix les dues superfícies és

La mateixa fórmula també es podria calcular en funció de la humitat relativa.

Gao va calcular fórmules per a diferents geometries de punta. Per exemple, la força disminueix un 20% per a una punta cònica respecte a una punta esfèrica.

Quan es calculen aquestes forces, cal fer una diferència entre la situació mullat sobre sec i la situació mullat sobre mullat.

Per a una punta esfèrica, la força és:

per sec sobre mullat,

per mullat sobre mullat,

on θ és l'angle de contacte de l'esfera seca i φ és l'angle immergit, com es mostra a la figura

Per a una punta cònica, la fórmula esdevé:

per sec sobre mullat

per mullat sobre mullat

on δ és l'angle del mig con i r₀ i h són paràmetres del perfil del menisc.

Referències

Categoria:Microscòpia Categoria:Física atòmica