Utente:Ilaria.denti/Atomic force microscopy

An ato

Modi di funzionamento

Il microscopio a forza atomica presenta tre principali modi di funzionamento: misura di forza, imaging, e manipolazione.

Le misure di forza permettono di valutare le forze presenti tra punta e campione in funzione della loro distanza. Questo metodo di funzionamento può essere applicato durante misure di spettroscopia di forza per misurare determinate proprietá del campione, come il modulo di elasticitá (Modulo di Young). In particolare, la spettroscopia di forza misura l'interazione e le forze di legame tra singole molecole, sfruttando forze meccaniche di stiramento o torsionali.

L'imaging si basa sul fatto che la forza di interazione tra punta e campione possa essere utilizzata per formare un' immagine tri-dimensionale (topografia) della superficie del campione ad alta risoluzione. L'immagine topografica viene costruita registrando la posizione del campione rispetto alla punta e registrando l'altezza della sonda mantenendo costante l'interazione tra la punta e il campione. La topografia della superficie é comunemente visualizzata tramite un grafico a falsi colori.

Nei metodi di manipolazione, é possibile cambiare le proprietá del campione in maniera controllata sfruttando le forze tra la punta e il campione. La manipolazione puó avvenire a livello atomico e viene utilizzata in applicazioni come la litografia a scansione di sonda o per la stimolazione di cellule.

Oltre all'acquisizione della topografia del campione, possono essere contemporaneamente misurate, ad alta risoluzione, diverse proprietá locali. Esempi interessanti sono sia proprietá meccaniche quali la rigiditá del campione o le forze di adesione, che proprietá elettriche, come la conduttivitá o il potenziale della superficie. 

Altre tecnologie

La principale differenza tra l'AFM e le altre tecnologie di microscopia , come microscopie ottiche e elettroniche, é data dal fatto che l'AFM non utilizza né lenti né irradazione da fasci. Pertanto la risoluzione spaziale non é limitata da diffrazione o aberrazione spaziale e non é necessario lavorare in vuoto o colorare il campione. 

I tipi di microscopia a scansione, oltre ad includere la scanning probe microscopy (in cui sono comprese AFM, scanning tunneling microscopy (STM) e near-field scanning optical microscope (SNOM/NSOM), STED microscopy (STED), e scanning electron microscopy). Sebbene SNOM e STED utilizzino luce visible, infrared o anche terahertz per illuminare il campione, la risoluzione di tali tecniche é limitata dal limite di diffrazione.

Configurazione

IN Fig. 3 é mostrato uno schema del funzionamento della AFM. I numeri nelle parentesi corrispondono ai numeri indicati nell'immagine. Il sistema di coordinate é indicato in figura (0).

Fig. 3: Tipica configurazione di un microscopio AFM.
(1): Cantilever, (2): supporto del cantilever, (3): Elemento piezoelettrico (pemette al cantilever di oscillare alla sua auto frequenza), (4): Punta (fissata alla fine aperta del cantilever, funziona come sonda), (5): Detector di deflessione e movimento del cantilever, (6): campione da misurare, (7): movimento xyz, (muove il campione (6) e il supporto (8) nelle direzioni x, y, e z rispetto alla punta(4)), e (8): supporto.

Un cantilever (1) di piccole dimensioni, modellizzabile come una molla, é situato sul supporto  (2). Un elemento piezoelettrico (tipicamente fatto di un materiale ceramico) (3) puó, a seconda del modo di acquisizione scelto, far oscillare il cantilever (1). Una punta aguzza (4) é posizionata alla fine della parte libera del cantilever (1). Il detector (5) registra la deflessione e il moto del cantilever (1). Il campione (6) é montato su un portacampioni (8). Il movimento xyz (7) permette di muovere sia il campione (6) che il portacampioni (8) nelle direzioni x, y, e z rispetto alla sommitá della punta (4).Sebbene la Fig. 3 mostri i comandi per il movimento vicini al campione, essi possono anche essere situati vicino alla punta o comandi indipendenti possono essere attaccati ad entrambi, dal momento che in alcuni sistemi vanno controllati sia lo spostamento fine della punta che del campione. I comandi per controllare lo strumento e per fare le immagini non sono mostrati in Fig.3

In accordo con la configurazione mostrata sopra, l'interazione tra la punta e il campione, che é un fenomeno su scala atomica registrato tramite spostamenti del cantilever, é tradotto su scala macroscopica. Molti parametri relativi al cantilever possono essere utilizzati per quantificare l'interazione tra punta e campione. La deflessione del cantilever é la piú utilizzata, ma si possono otterenere informazioni anche dall'ampiezza dell'oscillazione imposta sul cantilever o da cambiamenti della frequenza di risonanza del cantilever.

Detector

Il detector (5) dell'AFM misura la deflessione del cantilever rispetto alla posizione dei equilibrio e la converte in un segnale elettrico. Le intensitá del segnale sono proporzionali allo spostamento del cantilever.

Per l'acquisizione del segnale, sono utilizzati diversi metodi, quali l'nterferometria, metodi piezoresistivi e piezoelettrici.

Formazione dell'immagine

Nota importante: Per il seguente paragrafo, viene assunto che venga utilizzata la modalitá "a contatto" (per ulteriori informazioni si consiglia la lettura della sezione Modalitá di acquisizione). Per gli altri metodi di acquisizione, il procedimento é simile, eccetto per il fatto che il termine "deflessione" dovrebbe essere rimpiazzato da un'appropriata variabile di feedback.

Quando viene utilizzato il microscopio AFM per acquisire la morfologia di un campione, la punta é portata a contatto con il campione. Il campione stesso é scansito lungo una griglia nelle direzioni x e y.(fig 4). Solitamente viene impiegato un circuito di feedback elettronico, per mantenere la forza tra la punta ed il campione costante durante la scansione. La variabile di ingresso di tale circuito é la deflessione del cantilever e la variabile in uscita é il controllo sulla distanza, lungo -asse z, tra la punta ed il supporto (rispettivamente 2 e 8 nella fig. 3).  Finché la punta rimane a contatto con il campione e la scansione avviene lungo il piano x,y, le variazioni in altezza del campioni si traducono in movimenti del cantilever. Il feedback, a questo punto, riporta l'altezza del supporto della punta ad un valore predeterminato dall'utente, chiamati setpoint. Il circuito di feedback ha quindi il compito di monitorare la distanza di separazione tra il supporto e il campione durante la scansione, in modo che la deflessione rimanga circa costante. In questa configurazione, il feedback rappresenta la topografia della superficie, entro piccoli errori.

Storicamente, é stato utilizzato un altro metodo, in cui la distanza tra la punta e il supporto per il campione é mantenuta costante e non é controllata da un circuito di feedback (servomeccanismo ). In questo metodo, solitamente chiamato "modo ad altezza costante", la deflessione del cantilever é registrata come una funzione delle posizioni in x e y del cantilever. Finché la punta rimane a contatto con il campione, la deflessione corrisponde alla topografia della superficie. La principale ragione per cui questo metodo non viene piú utilizzato risiede nel fatto che le forze tra il campione e la punta non possono venire controllate e, se troppo intense, possono danneggiare la punta o il campione. In ogni caso, é pratica comune che, anche in questa modalitá, venga registrata la deflessione del cantilever. Infatti quest'ultima puó rivelare piccoli errori nella tracciatura del feedback o rivelare elementi che il feedback non é in grado di rilevare.

 seganle AFM, che si tratti di quello di altezza o della deflessione del cantilever, é registrato da un computer durante la scansione.Le immagini sono create in falsi colori , in cui ciascun pixel rappresenta la posizione in x e y e i colori il segnale registrato.

Fig. 5:Immagine topografica formata tramite AFM.
(1): Apice della punta, (2): Superficie del campione, (3): traiettoria lungo Z dell'apice della punta, (4): Cantilever.

Storia

Il microscopio a forza atomica é stato inventato da scienziati IBM, tra cui Binning, nel 1982. Binning, insieme a  Rohrer, aveva precedentemente inventato il microscopio a effetto tunnel all'inizio del 1980 nel centro di ricerca IBM Research - Zurich. Per tale invenzioni, Binning e Rohrer ottennero il Premio Nobel per la fisica nel 1986. . Nello stesso anno, venne realizzata la prima versione sperimentale del microscopio AFM da Binnig, Quate e Gerber.

La prima versione commerciale venne distribuita nel 1989. Ad oggi é uno dei microscopi piú utilizzati per misurare, acquisire immagini e manipolare la materia alla nanoscala.

Applicazioni

L'AFM puó essere utilizzato per una vasta gamma di discipline appartenenti al ramo delle scienze nautrali. Fra tutte, sono particolarmente rilevanti la fisica dello stato solido, la scienza e tecnologia dei semiconduttori, l'ingegneria molecolare, la chimica e la fisica dei polimeri, la chimica di superficie, la biologia cellulare e la medicina. 

Tra le applicazioni al campo della fisica dello stato solido sono di notevole importanza l'identificazione di atomi sui diversi substrati, la valutazione delle interazioni tra un atomo specifico e gli atomi vicini e lo studio dei cambiamenti nelle proprietá fisiche derivate dalla manipolazione di atomi.

In biologia molecolare, l'AFM puó essere utilizzata per studiare la struttura e le proprietá meccaniche di proteine complesse e insiemi di proteine. é stata infatti utilizzata per immagini topografiche e misure di durezza di microtuboli, proteine e Batteriorodopsina 

In biologia cellulare viene invece utilizzata per  distinguere cellule affette da cancro da cellule sane, basandosi sulla differenza dimodulo di Young. Viene inoltre impiegata per valutare l'interazione tra una cellula specifica e le cellule vicine. Un altro modo di utilizzo é l'indentazione delle cellule, per studiare come cambia la durezza e la forma della membrana della cellula.

Alcuni particolari tipi di cantilever conduttivi permettono di valutare i potenziali elettrici. In particolare alcuni sistemi permettono di registrare i cambiamenti di corrente che scorre nella punta per valutare la conduttivitá elettrica o le proprietá di trasporto.

Modi di acquisizione

Nel corso degli anni, sono stati sviluppati diversi modi di funzionamento per il microscopio ad interazione atomica. I tre principali modi di funzionamento sono distinti a seconda del tipo di moto della punta, ovvero il modo statico, o contact mode, e due modi dinamici, il tapping mode ed il non-contact mode.Il tapping mode viene definito come metodo di acquisizione a contatto intermittente ( o AC) oppure AFM a modulazione di ampiezza dal meccanismo di acquisizione. Allo stesso modo il non-contact mode viene anche definito AFM a modulazione di frequenza, dal meccanismo di acquisizione dell'immagine. 

Funzionamento a contatto statico

Nel funzionamento a contatto statico, la forza agente tra la punta e la superficie campione viene mantenuta costante durante la scansione, mantenendo una deflessione costante utilizzando direttamente il segnale di feedback. Dal momento che la misura di un segnale statico é affetta da rumore e drift, sono consigliati cantilever con una costante di oscillazione della molla bassa, in maniera che la loro rigiditá sia ridotta. In questo modo si riesce ad ottenere un segnale di deflessione abbastanza grande, mantenendo le forze di interazione basse. Infatti vicino al campione, le forze di interazione possono essere abbastanza elevate, tanto da causare l'effetto di "snap-in", ovvero la punta si incolla alla superficie. Pertanto il funzionamento a contatto viene fatto ad una altezza per cui la forza rimane repulsiva per tutta la lunghezza del campione.

Funzionamento a contatto dinamico

Singola catena polimerica (di spessore 0.4 nm)acquisita in in tapping mode in un mezzo acquoso, con differenti pH.

In condizioni ambientali,tra la punta e la maggior parte dei campioni si forma un menisco d'acqua, dovuto all'umiditá. In queste condizioni, mantenere la punta ad altezza costante rispetto al substrato (contact mode) puó risultare complicato e puó risultare in un incollamento della punta alla superficie studiata. Per arginare tale problema, vennero sviluppati i due metodi a contatto dinamico, il non-contact mode e il tapping mode. Ad oggi, il sistema piú utilizzato é il metodo "tapping" sia per lavorare in ambienti liquidi che in aria, soprattutto per studiare sistemi delicati quali le proteine..

Nel modo tapping, il cantilever viene messo in oscillazione vicino alla sua frequenza di risonanza. L'oscillazione viene comunemente ottenuta tramite un piezoelettrico situato nella struttura che regge il cantilever. L'oscillazione puó anche essere ottenuta includendo campi magnetici AC (per cantilever magnetici), cantilever piezoelettrici o riscaldamento periodico della punta con un fascio laser modulato. L'ampiezza di oscillazione puó variare da pochi nm a 200 nm. La frequenza e l'ampiezza del segnale sono mantenuti costanti, portando ad un'oscillazione del cantilever costante finché non ci siano effetti di drift o di interazione con la superficie. Diverse forze di interazione entrano in gioco quando la punta si avvicina al campione, tra cui  forze di Van der Waals , interazioni dipolo-dipolo , forze elettrostatiche, ecc. L'ampiezza di oscillazione, in presenza di tali forze, causa un cambiamento nell'ampiezza di oscillazione del cantilever mentre la punta si avvicina al campione.Tale ampiezza viene usata come uno dei parametri che controllano un servo elettronico  tramite il quale viene controllata l'altezza del cantilever rispetto al campione, in maniera da mantenere l'ampiezza di oscillazione del cantilever costante durante la scansione. 

Sebbene la forza applicata al campione dalla punta risulti piú intensa rispetto al funzionamento a contatto, il funzionamento in tapping mode genera un danno minore sul campione. Questo fatto é generalmente spiegato dalla breve durata dell contatto durante l'impulso.

é possibile inoltre monitorare e registrare anche la fase dell'oscillazione. Tale segnale contiene informazioni riguardanti l'energia dissipata dal cantilever ad ogni ciclo di oscillazione. L'informazione che é possibile ricavare  riguarda sia cambiamenti riguardanti la durezza del campione sia diverse proprietá di adesione, non visibili nell'immagine topografica. Tali informazioni sono tuttavia qualitative: l'estrazione di informazioni quantitative é spesso impossibile.

Non-contact mode

In questa modalitá, la punta non entra mai in contatto con la superficie. Il cantilever oscilla alla propria frequenza di risonanza (modulazione di frequenza) o appena sopra (modulazione di ampiezza). Solitamente l'oscillazione varia da pochi nanometri (<10 nm) a pochi picometri. Le forze di van der Waalls, che vengono esercitate ad una distanza da 1 nm a 10 nm dalla superficie o altre forze a lungo raggio fanno si che la risonanza del cantilever venga smorzata. L'ampiezza di oscillazione e la frequenza sono mantenute costanti grazie sia al cambio di frequenza di risonanza (che diminuisce) sia al circuito di feedback, che fanno si che la distanza tra punta e campione rimanga costante.La misura della distanza tra la punta e il campione permette di costruire l'immagine della superficie del campione.

Gli schemi per i funzionamenti ad assenza di contatto e a contatto dinamico includono la modulazione di frequenza e la più comune modulazione di ampiezza. Nella modulazione di frequenza le variazioni della frequenza di oscillazione forniscono informazioni riguardo alle caratteristiche della superficie campione.  Dal momento che la frequenza puó essere misurata con grande precisione, per avere maggiore stabilitá nella misura vengono utilizzati cantilever molto rigidi. Grazie a questa caratteristica, tramite questa tecnica é stata raggiunta per la prima volta la risoluzione atomica in condizioni di ultra-alto vuoto.

Nella modulazione di ampiezza , le variazioni nell'ampiezza di oscillazione producono informazioni topografiche della superficie campione. In aggiunta, le variazioni di fase delle oscillazioni nella modalità di modulazione di ampiezza possono essere usate per discriminare tra differenti tipologie di materiali sulla superficie. Questo metodo puó essere utilizzato per entrambe le modalitá dinamiche. Anche in questo caso, utilizzando cantilever molto rigidi e condizioni di ultra-alto vuoto é stata raggiunta la risoluzione atomica.

Probe

An AFM probe has a sharp tip on the free-swinging end of a cantilever that is protruding from a holder. The dimensions of the cantilever are in the scale of micrometers. The radius of the tip is usually on the scale of a few nanometers to a few tens of nanometers. (Specialized probes exist with much larger end radii, for example probes for indentation of soft materials.) The cantilever holder, also called holder chip – often 1.6 mm by 3.4 mm in size – allows the operator to hold the AFM cantilever/probe assembly with tweezers and fit it into the corresponding holder clips on the scanning head of the atomic force microscope.

This device is most commonly called an "AFM probe", but other names include "AFM tip" and "cantilever" (employing the name of a single part as the name of the whole device). An AFM probe is a particular type of SPM (scanning probe microscopy) probe.

AFM probes are manufactured with MEMS technology. Most AFM probes used are made from silicon (Si), but borosilicate glass and silicon nitride are also in use. AFM probes are considered consumables as they are often replaced when the tip apex becomes dull or contaminated or when the cantilever is broken. They can cost from a couple of tens of dollars up to hundreds of dollars per cantilever for the most specialized cantilever/probe combinations.

Just the tip is brought very close to the surface of the object under investigation, the cantilever is deflected by the interaction between the tip and the surface, which is what the AFM is designed to measure. A spatial map of the interaction can be made by measuring the deflection at many points on a 2D surface.

Several types of interaction can be detected. Depending on the interaction under investigation, the surface of the tip of the AFM probe needs to be modified with a coating. Among the coatings used are gold – for covalent bonding of biological molecules and the detection of their interaction with a surface, diamond for increased wear resistance and magnetic coatings for detecting the magnetic properties of the investigated surface. Another solution exists to achieve high resolution magnetic imaging : having the probe equip with a microSQUID. The AFM tips is fabricated using silicon micro machining and the precise positioning of the microSQUID loop is done by electron beam lithography.

The surface of the cantilevers can also be modified. These coatings are mostly applied in order to increase the reflectance of the cantilever and to improve the deflection signal.

References

[[Categoria:Forze intermolecolari]] [[Categoria:Analisi dei semiconduttori]]