Microscopia e tecniche SPM
CNR – IMIP
Montelibretti, Marzo 2003
Parametri fondamentali della microscopia
La proprietà fondamentale di un microscopio è la possibilità di
ottenere un’immagine ingrandita di un oggetto.
L’ingrandimento fornito da uno strumento ottico S è definito
come il rapporto tra:
■L’angolo sotto cui si vede un oggetto senza strumento S, e
■L’angolo sotto cui si vede lo stesso oggetto con lo strumento S.
40°
10°
Parametri fondamentali della microscopia
L’ingrandimento da solo non basta, è necessaria la capacità di
distinguere i particolari: risoluzione
Tappe storiche fondamentali della microscopia
1590
Z. e H. Janssen producono un microscopio con due lenti senza basi teoriche
1600
Galileo e Keplero pongono le basi dell’ottica moderna
1733
Hall utilizza combinazioni di vetri flint e crown per produrre sistemi ottici privi
di aberrazioni cromatiche
1886
Carl Zeiss produce lenti prive di aberrazioni sferiche e cromatiche e porta la
risoluzione del microscopio ottico al limite di 0.2 mm
1930
Lebedeff realizza il microscopio a interferenza
1932
Zernicke inventa il microscopio a contrasto di fase, Ruska inventa il
microscopio elettronico a trasmissione (TEM)
1935
Knoll e Von Ardenne sviluppano il microscopio elettronico a scansione
1952
Nomarsky elabora il sistema del contrasto interferenziale
1957
Minsky realizza il microscopio ottico confocale
1986
Binnig e Rohrer vincono il Premio Nobel per la Fisica per l’invenzione del
microscopio Tunnel a Scansione (STM, 1981)
1986
Binnig inventa il microscopio a Scansione a Forza Atomica (AFM)
Il microscopio ottico
Il microscopio ottico fu studiato e realizzato da Galileo in base
all’interazione della luce con la materia secondo le leggi
dell’ottica geometrica:
■Il comportamento della radiazione luminosa è descritto mediante il concetto di raggio
■I raggi si propagano in linea retta entro mezzi omogenei, e subiscono riflessioni e
rifrazioni all’interfaccia tra due mezzi (legge di Snell-Cartesio)
P1
P2
f
Una lente è caratterizzata
dalla sua lunghezza
focale f
z1
z2
Approssimazione
parassiale (Gauss)
valida per punti vicini
all’asse ottico e per
raggi poco divergenti
da esso
1 / z1 + 1 / z2 = 1 / f
Tutti i raggi uscenti dal punto P1 del semispazio
sinistro convergono nel punto P2 del semispazio
destro
Il microscopio ottico
Col microscopio ottico si possono ottenere fino a 1000 ingrandimenti.
La risoluzione R del microscopio ottico è limitata dal fenomeno della
diffrazione della luce, di cui non si tiene conto nell’ottica geometrica.
Se una lente ha diametro D e focale f si ha:
R = 1.22 l D / f
Lunghezza d’onda della luce visibile: l = 0.38 ~ 0.780 mm
Risoluzione massima ottenibile: R = 0.2 mm
Microscopio elettronico a scansione: TEM e SEM
Col microscopio elettronico si introducon due nuovi concetti:
■ Interazione degli elettroni con la materia
■ Scansione della superficie del campione
Con questo microscopio non si percepisce l’immagine tramite l’osservazione della luce
riflessa dall’oggetto che si vuole osservare, perché bisogna superare i limiti dell’ottica.
Invece di sfruttare l’interazione luce – materia, si sfrutta l’interazione elettroni –
materia. Questo permette di sormontare i limiti della diffrazione, di cui soffrono i
microscopi ottici, perché il meccanismo di formazione dell’immagine ingrandita è del
tutto differente.
L’immagine viene formata visualizzando su uno schermo televisivo i segnali elettrici
originati da un opportuno rivelatore, che è in grado di misurare la quantità di elettroni
riemessi dal campione quando esso è investito da un fascio di elettroni.
Interazione degli elettroni con la materia
ELETTRONE INCIDENTE
(PRIMARIO)
ELETTRONE PRIMARIO
RETRODIFFUSO
URTO E RIFLESSIONE
URTO
URTO E LIBERAZIONE
DI UN ELETTRONE
SECONDARIO
ELETTRONE
SECONDARIO
EMESSO
URTO
URTO
Un elettrone può penetrare in un
materiale, se ha sufficiente energia.
Questo elettrone interagisce con gli atomi
e gli elettroni di cui è composto il
materiale, tramite urti.
Talvolta, a causa di un urto, l’elettrone
(primario) può cedere una tale quantità di
energia alle particelle con cui interagisce,
da consentire ad alcuni degli elettroni
appartenenti agli atomi del materiale di
rompere i vincoli che lo legano ad esso e
di muoversi.
Questi elettroni (secondari) possono
quindi uscire dal materiale
GLI ELETTRONI SECONDARI
POSSONO FORNIRE INFORMAZIONI
PER COSTRUIRE UN’IMMAGINE DEL
CAMPIONE. COME?
Gli elettroni secondari forniscono informazione
La quantità di elettroni emessi
dipende dal modo con cui il fascio
primario interagisce col campione.
La profondità di provenienza degli
elettroni secondari è dell’ordine dei
10 nm
■Gli elettroni secondari possono
RIVELATORE DI
ELETTRONI
+
–
ELETTRONE
SECONDARIO –
essere raccolti e la corrente
associata può essere misurata.
MISURATORE
DI
CORRENTE
■La quantità di elettroni secondari emessi dipende dalle caratteristiche del materiale in
esame (densità e dimensioni degli atomi)
■La quantità di elettroni secondari
emessi dipende dall’orientazione
della superficie di emissione
Emissione  1 / Cos (inclinazione)
COME SI FORMA L’IMMAGINE
DELLA SUPERFICIE?
La scansione della superficie
Il fascio degli elettroni primari è molto sottile (fino a 3 nm) e questo consente di avere
una buona risoluzione perché gli elettroni secondari provengono solo dalla zona del
campione su cui incide tale fascio.
Per formare l’immagine dell’intera superficie bisogna quindi effettuare una scansione
muovendo il fascio primario su righe successive fino ad aver analizzato l’intera zona di
cui si intende formare l’immagine
Una carica q, che si muove a velocità v
in presenza di un campo magnetico B,
LENTE ELETTROMAGNETICA
subisce l’azione di una forza F
che la fa deviare (forza di Lorentz):
FASCIO DI ELETTRONI PRIMARI
SUPERFICIE DEL
CAMPIONE
F=qvB
N
B
q –
F
S
Al variare del campo magnetico B generato dalla lente
elettromagnetica è possibile indirizzare il fascio di
elettroni su diversi punti della superficie del campione
v
La scansione della superficie
Se si fa corrispondere a correnti elevate punti bianchi e a correnti modeste punti neri,
mettendo uno di fianco all’altro i punti colorati così ottenuti si ottiene un’immagine
ingrandita del campione.
IMMAGINE RISULTANTE
FASCIO DI ELETTRONI PRIMARI
SUPERFICIE DEL
CAMPIONE
ZONA AD ALTA EMISSIONE
ZONA A BASSA EMISSIONE
Si ottiene una risoluzione molto elevata in quanto è possibile controllare finemente la
posizione del punto su cui incide il fascio primario.
L’ingrandimento è enorme perché è determinato dall’elaborazione elettronica dei
segnali elettrici che pilotano le lenti elettromagnetiche
Il microscopio SEM
Un esempio di immagine SEM
Un comune transistor discreto per usi
commerciali: 2N2222
COME È FATTO ALL’INTERNO?
CONTATTI METALLICI (RAME)
ALLUMINIO
STRATO PROTETTIVO E
PASSIVANTE
SILICIO
Un esempio di immagine SEM
Diamante CVD
realizzato presso
l’istituto IMIP del CNR di
Montelibretti
Notare:
■Ingrandimento molto
maggiore dell’esempio
precedente
■Il SEM restituisce
un’immagine in toni di
grigio che non
corrispondono al colore
reale del campione, ma
che rendono conto della
sua morfologia
superficiale e delle sue
proprietà atomiche locali
Caratteristiche e limiti del SEM
■ La risoluzione è
molto elevata
perché l’immagine
non è più formata
sfruttando
l’interazione della
materia con la
radiazione visibile.
■ È possibile
acquisire
immagini dotate
di una notevole
profondità di
campo, migliore
di quella dei
microscopi ottici
■ Bisogna analizzare il campione
in alto vuoto
■ Il SEM restituisce proiezioni
bidimensionali di immagini
tridimensionali
FASCIO
PRIMARIO
PIANO
FOCALE
PIANO
FUORI
FUOCO
È POSSIBILE UTILIZZARE UNA
TECNICA DI MICROSCOPIA CHE
LAVORI A PRESSIONE
ATMOSFERICA, RESTITUISCA
IMMAGINI TRIDIMENSIONALI E
SPINGA ANCORA PIÚ IN LÀ IL
LIMITE DI RISOLUZIONE?
Le tecniche SPM
Questo è possibile sfruttando, invece che
l’interazione luce-materia, altri tipi di
interazione con il campione:
Microscopia SPM
Scanning Probe Microscopy
(Microscopia a Sonda a Scansione)
Effetto Tunnel
La probabilità di passaggio di un
elettrone diminuisce esponenzialmente
al crescere della separazione d tra i
due conduttori (Fowler – Nordheim):
CORRENTE I
La corrente elettrica è trasportata in generale da particelle cariche (elettroni).
All’interno di materiali conduttori, come i metalli, gli elettroni hanno la possibilità di
muoversi liberamente sotto l’azione di una tensione applicata.
Se si hanno due conduttori ravvicinati, tra cui è imposta una tensione V, lo spazio non
conduttore tra di essi costituisce una barriera per il passaggio di elettroni (corrente).
Tuttavia se la separazione tra I due conduttori
SE SI ELIMINA LA
BARRIERA,
è molto piccola (< 10 mm), c’è una certa
PASSA CORRENTE
probabilità che gli elettroni possano
PASSARE ATTRAVERSO LA BARRIERA
dando luogo a un flusso di corrente I
(effetto Tunnel)
I  (V2 / d2) exp(-d / V)
2
4
6
8
10
12
14
DISTANZA
d (nm)
Applicazione dell’effetto Tunnel: STM
Se si mantiene costante la tensione V tra i due conduttori,
■ Aumentando la loro distanza, diminuisce la corrente I
■ Diminuendo la loro distanza, aumenta la corrente I
Se si conosce come varia la corrente tra i due conduttori in funzione della loro
distanza, allora
misurando la corrente I si può ottenere una misura precisa della distanza.
Perchè non applicare questo effetto in microscopia?
Se uno dei due conduttori è una punta di dimensioni piccolissime, tenuta separata
dalla superficie di un campione conduttivo,
misurando la corrente circolante per effetto Tunnel si può conoscere la distanza della
punta dal punto del campione immediatamente sottostante
1
2
PUNTA METALLICA
CAMPIONE CONDUTTIVO
Si può eseguire una scansione (in modo
analogo al SEM) facendo muovere lateralmente
la punta sopra il campione e misurando la
corrente per ogni posizione della punta:
■ Posizione 1: piccola d, grande corrente
■ Posizione 2: grande d, piccola corrente
SU QUESTO PRINCIPIO SI BASA IL
MICROSCOPIO STM (SCANNING TUNNEL
MICROSCOPE)
STM: punte per alta risoluzione
Con la tecnica STM si possono ottenere eccezionali risoluzioni (fino al limite della
risoluzione atomica!) perchè vengono utilizzate punte di dimensione ridottissima, in cui
solo gli atomi terminali interagiscono col campione. Inoltre, per rilevare correttamente
profili molto rugosi, è necessario che la punta sia molto affilata.
Una punta per microscopia STM è caratterizzata da:
■ Raggio di curvatura estremamente piccolo
■ Grande affilatezza
■ Buona conducibilità elettrica
■ Buona stabilità chimica all’aria
È abbastanza intuitivo che dei buoni candidati per la realizzazione di punte per STM
siano i metalli, che infatti sono stati I primi materiali ad essere usati a questo scopo.
Metalli comunemente usati per la realizzazione di punte:
■ Tungsteno
■ Oro
■ Platino – Iridio
STM: punte per alta risoluzione
È possibile realizzare una punta
conica affilata corrodendo
elettrochimicamente un filo di
tungsteno (W)
Con questa tecnica si realizzano
agevolmente raggi di curvatura di
80 nm
Un procedimento analogo si può
utilizzare per realizzare punte di
platino iridio (Pt – Ir)
Nell’immagine:
Punta ottenuta mediante un
processo di attacco
elettrochimico con CaCl2 + H2O +
CH3COCH3 , con raggio di
curvatura di 20 nm e angolo di
apertura del cono di 20°
STM: punte per alta risoluzione
Le punte per STM vengono realizzate anche in oro.
Si può utilizzare un procedimento di attacco
elettrochimico in soluzione acquosa di KCN
Nell’immagine:
Punta di oro con raggio di curvatura di circa 5 nm e
apertura minore di 30°
STM: punte per alta risoluzione
Un nanotubo di carbonio (CNT) multiwalled,
preparato mediante scarica elettrica in una
atmosfera di gas, può essere fissato
sull’estremità di una punta di tungsteno,
facendo depositare all’interfaccia del
carbonio amorfo.
Il nanotubo può avere un diametro di soli 5
nm, e il raggio di curvatura della parte
terminale può essere anche minore
CON QUESTO TIPO DI PUNTE È POSSIBILE
REALIZZARE IMMAGINI CON LA RISOLUZIONE
DEL SINGOLO ATOMO!
Nell’immagine:
Superficie di un cristallo di silicio con orientazione
(111). Si può distinguere la posizione dei singoli atomi
di silicio arrangiati su simmetria esagonale
STM: il metodo di scansione
Come è possibile muovere la punta del microscopio STM lateralmente con
grandissima precisione?
La punta del microscopio è fissata su un trasduttore piezoelettrico di posizione,
realizzato con un cristallo piezoelettrico (PZT)
La parola “piezoelettrico” deriva dal greco “piezen”, deformare e designa una
caratteristica fisica di alcuni cristalli:
Il cristallo piezoelettrico ha la proprietà di deformarsi leggermente, di una quantità ben
determinata, quando gli viene applicata una tensione V .
La deformazione (allungamento del cristallo) è proporzionale alla tensione applicata e
può essere controllata con la precisione di pochi Angstrom.
PZT
PUNTA
ALLUNGAMENTO
TENSIONE V
Cristalli piezoelettrici
Pierre Curie, insieme al fratello Paul-Jacques, intorno al 1880 scopre l’effetto
piezoelettrico (diretto).
L’effetto è reversibile (effetto piezoelettrico inverso)
Cristalli piezoelettrici
Sebbene il più comune cristallo piezoelettrico sia il quarzo,
per realizzare trasduttori di posizione piezoelettrici si usano in genere Titanati di Bario
(BaTiO3) o i cosiddetti PZT (da Piombo – Zirconio – Titanio, soluzioni solide di PbZrO3
e PbTiO3).
Come sono fatti e come funzionano?
Esempio di struttura cristallina del Titanato di Bario:
Ti 4+
Ba 2+
O 2-
T > Tc : CELLA CUBICA
T < Tc : CELLA TETRAGONALE
Deformazione dei cristalli piezoelettrici
+ + + + + + +
– – – – – – –
––
––
++++
––
––
––
––
++++
––
––
––
++++
+ + + + + + +
– – – – – – –
Microscopio ed Elaboratore
Nel microscopio STM, come del resto in molti tipi di moderni microscopi, la procedura
di analisi della superficie di un campione è gestita mediante un elaboratore elettronico
CONVERTITORE
A/D
AMPLIFICATORE
CONTROLLO DELLA
CONVERSIONE
CONTROLLO
DELLA SCANSIONE
ELABORATORE
ELETTRONICO
MEMORIZZAZIONE DELLA
MAPPA DIGITALE
MEMORIA
ALGORITMI DI
FILTRAGGIO, DI MODIFICA
E DI ANALISI DELLA
MAPPA DIGITALE DELLA
SUPERFICIE
Alta risoluzione verticale in STM
Il microscopio STM è dotato di grande risoluzione laterale in quanto un grande
sforzo tecnologico è stato perseguito per realizzare punte di scansione di dimensioni
opportune.
Inoltre, un controllo estremamente preciso della traslazione laterale della punta
durante la scansione della superficie del campione è ottenibile sfruttando le
proprietà dei materiali piezoelettrici.
CORRENTE DI TUNNEL
A fronte della grande risoluzione laterale, la microscopia STM consente di ottenere
una elevata risoluzione verticale grazie alla particolare dipendenza esponenziale
della corrente di Tunnel dalla separazione punta – campione.
DISTANZA
PUNTA-SUPERFICIE
0.2
0.4
0.6
0.8
1
A un dato errore, relativo
alla misura della corrente di
tunnel, corrisponde un
errore percentuale molto
minore sulla corrispondente
elevazione calcolata del
punto del campione
sottostante la punta
Superare i limiti dello STM
Il microscopio STM è uno strumento estremamente sensibile, in grado di realizzare
immagini tridimensionali con una risoluzione di pochi Ångstrom.
Non necessita di particolari preparazioni del campione e può operare in condizioni
ambientali di temperatura e di pressione.
In partricolare, al contrario del microscopio a scansione elettronica, non necessita di
lavorare in alto vuoto, perchè lo spazio che devono percorrere gli elettroni per
raggiungere la punta (pochi nanometri) è brevissimo se confrontato con le
corrispondenti lunghezze tipiche del microscopio SEM (decine di centimetri).
La limitazione del microscopio STM consiste nel poter analizzare solo superfici di
materiali elettricamente conduttori o semiconduttori:
Questo è necessario perchè per sostenere l’emissione tunnel di elettroni dalla
superficie del campione, al suo interno deve scorrere una corrente.
È POSSIBILE CONCEPIRE UNA TECNICA DI ANALISI MICROSCOPICA CHE
FORNISCA GLI STESSI VANTAGGI DELLO STM, MA CHE NON SIA LIMITATO
DALLE PROPRIETÀ ELETTRONICHE DEL MATERIALE DA ANALIZZARE?
Le interazioni atomiche
FORZA ATTRATTIVA DI VAN DER WAALS
Se si considera una porzione di materiale globalmente neutro, cioè non carico
elettricamente, si deve tenere presente che localmente, su scala atomica, sono in
realtà sempre presenti dei dipoli elettrici p (addensamenti di carica positiva e negativa
in posizioni diverse ma vicine) a causa di:
■ Possibili asimmetrie dei legami chimici
tra gli atomi (molecole polari)
p
■ Fluttuazioni della posizione degli
elettroni intorno al nucleo dell’atomo
(ad esempio, dovute alla temperatura)
p
p1
p2
DIPOLO
DIPOLO INDOTTO
Quando un materiale, in cui sono presenti dipoli
p1 di questo tipo, viene posto in prossimità di un
altro materiale, su quest’ultimo vengono indotti
dei dipoli p2.
L’interazione dipolo – dipolo indotto si manifesta
sempre come una forza attrattiva, nota come
forza di van der Waals
Le interazioni atomiche
FORZA REPULSIVA ELETTRONE – ELETTRONE
Sebbene due generiche porzioni di materia vengano attratte dalle forze di van der
Waals, quando esse giungono a distanze estremamente piccole diventa dominante
l’interazione tra gli elettroni che circondano i nuclei degli atomi.
I “gusci elettronici esterni” degli atomi di ciascuno dei due materiali tendono a
respingersi (chiaramente, due solidi non si compenetrano)
Se si indica con d la distanza tra due
atomi saturi, l’interazione è descritta
dalla Forza di Lennard – Jones:
F  (dee / d)12 – (dvdw / d)6
VAN DER WAALS
ELETTRONE - ELETTRONE
SEPARAZIONE
TRA I DUE ATOMI
0.2
FORZA
ATTRATTIVA
La forza di van der Waals e quella di
repulsione elettronica sono le
principali responsabili dell’interazione
tra atomi e molecole sature.
FORZA
REPULSIVA
FORZA COMPLESSIVA
0.4
0.6
0.8
1
Microscopio a forza atomica: AFM
Una forza di tipo Lennard – Jones si instaura non solo tra due atomi isolati, ma tra due
qualsiasi materiali.
L’espressione di Lennard – Jones fornisce una dipendenza di una quantità fisica
misurabile (forza) dalla distanza tra una sonda e un materiale, allo stesso modo in cui
l’equazione di Fowler – Nordheim fornisce la dipendenza di una corrente di tunnel dalla
distanza tra sonda STM e campione
Dunque la distanza tra una punta e il campione sottostante può essere valutata
misurando la forza agente sulla punta stessa:
Questo è il principio del microscopio a forza atomica (AFM)
Il microscopio AFM è
strutturalmente identico a un
microscopio STM, tranne per il fatto
che non necessita di un passaggio
di corrente tra punta e campione.
La punta stessa è montata su un
supporto speciale che consente di
misurare la forza a cui è sottoposta.
Non sussiste più il limite
di dover analizzare solo
campioni conduttivi
FORZA
ATTRATTIVA
FORZA
REPULSIVA
Forze agenti tra una punta e una superficie
CONTATTO TRA
SONDA E CAMPIONE
SEPARAZIONE TRA
SONDA E CAMPIONE
Usualmente, le forze agenti tra una punta e una superficie sono diverse nei
casi in cui la punta è in avvicinamento o in allontanamento da essa.
La differenza delle misure effettuate permette di valutare le forze di adesione
Microscopio a forza atomica: AFM
Nel modo operativo
considerato, la punta
è posta molto vicino
al campione, in
modo che predomini
la forza di repulsione
tra elettroni.
PUNTA AFM
q
FORZA F
s
La forza applicata al suporto
elastico tramite la punta
produce una deformazione del
supporto, di un angolo q, che
con buona approssimazione è
proporzionale a F:
qF
Si fa incidere un raggio laser, proveniente da
una direzione fissa s, sulla parte superiore del
supporto elastico
RIVELATORE DI POSIZIONE
s – 2q
SUPPORTO
ELASTICO
RAGGIO
LASER
V
La deformazione del supporto è valutabile
osservando lo spostamento del raggio laser
riflesso
Un rivelatore di posizione genera un segnale
elettrico proporzionale allo spostamento del
fascio laser riflesso
AFM – modalità “altezza costante”
Durante una scansione, se si mantiene il punto V a una altezza costante, le
deformazioni del supporto seguono il profilo della superficie analizzata.
RILIEVI SULLA
SUPERFICIE DEL
CAMPIONE
FORZA AGENTE
SULLA PUNTA
DEFORMAZIONE
DEL SUPPORTO
SPOSTAMENTO
ANGOLARE DEL
RAGGIO RIFLESSO
GENERAZIONE DI
UNA CORRENTE
CORRISPONDENTE
La corrente in uscita dal rivelatore di posizione del fascio, che varia durante la
scansione dipendentemente dalla forza agente sulla punta, può quindi essere
utilizzata per generare un’immagine della superficie del campione, come nella
microscopia tunnel.
Questo metodo di acquisizione delle immagini fornisce una mappa fedele e lineare del
profilo della superficie del campione fintanto che le deformazioni del supporto si
mantengono piccole
AFM – modalità “forza costante”
Se si fa in modo che la forza agente sulla punta sia costante durante la scansione, è
possibile acquisire una mappa più fedele del profilo del campione.
Mantenere costante tale forza equivale a mantenere costante la posizione del fascio
riflesso (posizione ‘0’) sul rivelatore di posizione.
Per fare questo è necessario muovere il punto di ancoraggio V del supporto in
direzione verticale, facendogli seguire punto per punto il profilo verticale del campione.
Questo può essere fatto mediante un altro traslatore piezoelettrico (PZT) che si
deforma in direzione verticale.
RAGGIO
LASER
A
AGGIUSTAMENTO
PZT ‘z’
B
POSIZIONE DEL FASCIO RIFLESSO
PZT
‘z’
posizione
‘0’
V
CAMPIONE
AGGIUSTAMENTO DEL PUNTO V IN
MANIERA CHE LA POSIZIONE DEL
FASCIO RIFLESSO SIA ‘0’
‘RETROAZIONE’
RIVELATORE DI
POSIZIONE
PROFILO DEL
CAMPIONE
L’immagine è formata dalla
memorizzazione delle posizioni che sono
state imposte al supporto della punta
durante la scansione
AFM – la punta e il supporto elastico
Materiale del supporto:
silicio, o stesso materiale
della punta.
Lunghezza del supporto:
100 ~ 400 mm
Lunghezza della punta:
2 ~ 10 mm
IL SUPPORTO VIENE IN GENERE
RICOPERTO DI ORO PER
AUMENTARNE LA RIFLETTIVITÀ
Al contrario del microscopio STM, la punta dell’AFM, che deve lavorare a contatto col
campione, deve possedere particolari requisiti di durezza.
I materiali maggiormente utilizzati per la realizzazione della punta sono:
■ Nitruro di silicio (Si3N4)
■ Diamante
Le punte AFM
Punta in diamante per AFM realizzate depositando diamante con la tecnica HFCVD
in trincee piramidali realizzate su silicio.
■ Apertura angolare della punta: 70.5°
■ Raggio di curvatura della punta: 15 nm
Le punte AFM
Punta per AFM in Si3N4 cresciuto su silicio (MikroMasch).
■ Altezza tipica della punta: 20 mm
■ Apertura angolare della punta: 20°
■ Raggio di curvatura della punta: < 10 nm
Binnig e Roher
Gerd Binnig e Heinrich Rohrer sono gli
ideatori del microscopio STM.
Vinsero il premio Nobel per la fisica nel
1986, anno in cui Binnig sviluppò il
microscopio AFM.
Risoluzione atomica della microscopia SPM
Immagine di un piano di grafite altamente orientata ottenuta mediante un microscopio
STM. Analoga risoluzione si ottiene con il microscopio AFM.
I rilievi chiari corrispondono ai singoli atomi di carbonio e sono separati da una
distanza di 3.35 Å. È ben distinguibile la cella esagonale del cristallo.
Applicazioni – manipolazione di nanostrutture
Il microscopio SPM (STM e AFM) ha la caratteristica di interagire col campione
mediante una sonda solida, che può produrre azioni meccaniche su di esso.
Questa particolarità consente di aprire nuove frontiere tecnologiche perchè dà la
possibilità di manipolare singoli atomi.
Nel 1990 D. M. Eigler e E. K. Schweizer produssero la scritta “IBM” utilizzando 35
atomi di Xeno su un substrato di Nichel, utilizzando un microscopio STM.
Manipolazione di atomi di Xeno
COME È POSSIBILE MUOVERE GLI ATOMI?
Eigler e Schweizer depositarono atomi di Xeno (che è un gas nobile e quindi non
forma legami) su un substrato di Nichel. Naturalmente questi atomi erano disposti
casualmente sulla superficie, mantenuta a -270°C in maniera da impedire agli atomi di
Xeno di muoversi.
Per spostare un atomo, la punta STM viene abbassata fino ad arrivare in prossimità di
esso. Le forze di van der Waals agiscono sia tra punta-Xeno che tra Xeno-Nichel.
Allorchè la punta viene spostata lateralmente (come per eseguire una scansione),
l’atomo di Xeno la segue in quanto la forza di van der Waals tende a farlo rimanere in
prossimità della punta. L’atomo può quindi essere posizionato arbitrariamente.
PUNTA STM
SPOSTAMENTO
ATTRAZIONE XENO-PUNTA
XENO
ATTRAZIONE XENO-NICHEL
NICHEL
Applicazioni – manipolazione di atomi di silicio
La possibilità, offerta dal microscopio
AFM, di manipolare atomi può trovare
applicazione nella realizzazione di
memorie ad altissima densità.
Un singolo bit di informazione (1
oppure 0) può essere memorizzato in
una coppia di atomi di una superficie di
silicio, la cui posizione può essere
modificata per mezzo della punta di un
microscopio AFM.
Trattamento delle immagini
Una colorazione a ‘falsi
colori’ può essere
adottata per la resa
dell’immagine
tridimensionale.
Nell’immagine:
Immagine AFM della
superficie policristallina di
un diamante HFCVD
ottenuto presso il CNRIMIP di Montelibretti
L’immagine può essere sottoposta ad analisi numeriche e matematiche per
evidenziare particolari caratteristiche del campione quali:
■ La rugosità
■ L’individuazione dei singoli grani
■ Le orientazioni cristallografiche
Trattamento delle immagini
Nell’immagine:
Immagine AFM della
superficie policristallina di
un diamante HFCVD
ottenuto presso il CNRIMIP di Montelibretti
L’immagine può essere sottoposta ad analisi numeriche e matematiche per
evidenziare particolari caratteristiche del campione quali:
■ La rugosità
■ L’individuazione dei singoli grani
■ Le orientazioni cristallografiche