AFM/STM

MMD00013 ANLISE INSTRUMENTAL

Tiago Lemos Menezes

Porto Alegre 23-03-2015

tiagolm@outlook.com

AFM Microscpio de Fora Atmica

STM Microscpio de Tunelamento

Varredura por sonda

Introduo

Princpio de Funcionamento

Aplicaes

AFM/STM

1600 - Zacharias Jansen (Holanda)

Introduo

1981 - Gerd Binnig e Heinrich Rohrer

1981 Inveno do STM na IBM-Zurique por G. Binnig e H.Rohrer.

1982 Demonstrao de resoluo atmica por G.Binnig no Si(7x7) 1984 Inveno do SNOM por D.Pohl.

1985 Desenvolvimento do AFM por G.Binnig, C.Gerber, e C.F.Quate.

1986 Binnig e Rohrer ganham o prmio Nobel em Fsica pela inveno do STM

1987 Resoluo atmica com o AFM por T. Albrecht Desenvolvimento do modo de No-contato Inveno do MFM

1991 Microfabricao de pontas de AFM

1993 Desenvolvimento do modo de contato intermitente TappingMode

Introduo

Introduo

Qual o limite?

MICROSCPIO INTERAO INFORMAO

STM Corrente de tunelamentoTopografia 3-D; tamanho e

forma de objetos; rugosidade;

estrutura eletrnica.

AFM Fora intermolecularTopografia 3-D; tamanho e

forma de objetos; rugosidade;

propriedades mecnicas.

LFM Fora de fricoDissipao de energia, rea

de contato, adeso

MFM Foras magnticas

Tamanho e forma de

estruturas magnticas; fora

e polarizao de domnios

magnticos

SThM Transferncia de calor Condutividade trmica

EFM Foras eletrostticasGradientes de campo

eltricos e domnios ferro

eltricos

SNOMInterao de ondas

evanescentes

Propriedades ticas de

superfcies

Introduo

A inveno do microscpio de tunelamento (STM)

AFM Microscpio de fora atmica

MFM Microscpio de fora magntica

EFM Microscpio de fora eletrosttica

SNOM Microscpio tico de campo prximo

Introduo

Introduo

Princpios de Funcionamento

Efeito Tnel ou Tunelamento

STM

equao de Schrdinger

e- e-

e-

e-e-

e-

e-

e-

e-

< 1nm

Uma ponta de tungstnio muito fina posicionada quase tocando a superfcie daamostra condutora.

Quando a distncia d de separao entreponta-amostra se aproxima de 10, oseltrons da superfcie da mostra comeama tunelar para a ponta e vice versa,dependendo da polaridade de voltagemaplica entre as mesmas, com isso gerandouma corrente (corrente de tunelamento).

Princpios de Funcionamento

O sensor de tunelamento medea corrente I que passa entre aamostra e a sonda metlica,posicionada quase tocando asuperfcie da amostra

Corrente de tunelamento

Dependncia exponencial da corrente com a distncia.

Opera basicamente de dois modos:

Modo Altura ConstanteModo Corrente Constante

Foi inventado por Binning, Quate egerber aps perceberem que a pontado STM exerce foras sobre asuperfcie da amostra na mesmaordem das foras interatmicas.

AFM

O AFM usa a interao entreas foras sonda-amostra para

traar o mapa da superfcie

O microscpio de foa atmica pode seroperado de diversos modos. Entretanto, seuprincpio fundamental a medida dasdeflexes de um suporte em cuja extremidadelivre est montada a sonda. Estas deflexes socausadas pelas foras que agem entre a sondae a amostra.

Os modos de varredura ou de operao,referem-se fundamentalmente distncia mantida entre a sonda(ponteira) e a amostra e s formas demovimentar a ponteira sobre asuperfcie a ser estudada.

Opera em dois modos

Modo Contato Modo No Contato

Cantilever

flexvel, foras entre a ponteira e a amostra causamdeflexes muito pequenas deste suporte (cantilever),

que so detectados e apresentados como imagens.

cantilever retangular cantilever em forma de VCantilever com ponteira

Cantilever

(a) imagem de quatro cantilevers em forma de V acoplados em um bloco. (b) quatro pontaspiramidais no cantilever em formato V. (c) as pontas piramidais so ocas vistas por cima. (d) viso de uma ponta individual, com aproximadamente 30 nm de raio

Vantagens do AFM

O AFM em comparao a um microscpio eletrnico de varredura(MEV), fornece umaimagem tridimensional da superfcie diferentemente do microscpio eletrnico quefaz uma projeo bidimensional ou uma imagem bidimensional de uma determinadaamostra.

Vantagens do AFM

Investigaes de no apenas materiais condutores mas tambm isolantes, pois o MFA no utiliza corrente de tunelamento para a formao das imagens.

Anlise de qualquer tipo de material

Na anlise utilizado um pequeno volume de amostra, possuindo umapreparao da amostra simples ou desnecessria, no necessrio nenhumtratamento especial (como metal ou revestimento de carbono) que poderiaalterar ou danificar a amostra.Podendo, por exemplo, analisar amostrasbiolgicas vivas sem retir-la de seu meio e sem perder suas propriedades.Com a habilidade de explorar eventos moleculares no nvel da interao entreas molculas.

Vantagens do AFM

Possibilidade de analise diversificados ambientes, inclusive na atmosfera (temperaturaambiente e em presena do ar) ou at mesmo em lquidos, diferentemente de um microscpio eletrnico que precisa de um ambiente de vcuo caro para o seu bomfuncionamento. O uso do MFA reduz o preo da anlise.

Pode ser utilizado para acompanhar processosporque possui baixo tempo de anlise

A alta resoluo MFA compatvel a resoluodo microscpio de tunelamento e o de microscopia eletrnica de transmisso.

Vantagens do AFM

Medio das foras de interao em funo da distncia entre a ponta e a superfcie, o resultado desta medida chamado de curva fora-distncia.

RUGOSIDADE

Limitaes

Vibraes podem atrapalhar, ou seja, o som ambiente, vibraes mecnicas (comopessoas circulando em um recinto) e at mesmo a rede eltrica podem serinterferentes na anlise. Por isso o equipamento deve ser montado em uma mesacom um sistema de amortecimento em uma sala fechada.

O AFM requer uma coleo de imagens e comisso uma limitao na sua velocidade.

A presena de contaminantes na superfciepodem conduzir a uma imagem irreal

O movimento da ponta do MFA podeocasionar alteraes na superfcie.

A imagem a convoluo da forma da pontacom a superfcie, diferentes pontas podemocasionalmente gerar diferentes imagens.

Aplicaes

Estudo da superfcie decondutores e metais

1- geometria da estrutura atmica

2- Estrutura eletrnicaDas superfcies

Investigar processos fsicos e qumicos que ocorrem nas superfcies, como adsoro emsuperfcie de metais e semicondutores, a adsoro molecular, a observao deformao de aglomerados sobre superfcies (aglomerados de metais e aglomerados desemicondutores), nucleao e crescimento de filmes (por exemplo crescimento defilmes metlicos, crescimento de Si sobre Si (001)), reaes qumicas nas superfcies demetais e semicondutores (estudo das reaes qumicas que ocorrem nas superfcies,so importantes, pois algumas aplicaes tecnolgicas utilizam corroses e catlises)

Aplicaes

Pode-se utilizar o STM para criar uma tcnicade anlise superficial para o estudo daspropriedades das superfcies, podendo assimmodificar ou fazer gravaes em algumassuperfcies em escala nanomtrica

Xennio sobre superfcie de Ni

AplicaesEstudo da estrutura superficial de materiaisbiolgicos, dentre eles: cidos nucleicos (RNAe DNA), as protenas e membranas biolgicas(membranas celulares e clulas)

E. coli exposta ao peptdeo microbicida CM15. A imagem, obtida por microscopia de fora atmica, mostra o comeo da destruio da paredebacteriana

Obrigado pela ateno