Scanning Probe Microscopy SPM Atomic force microscopy AFM

Scanning Probe Microscopy SPM Atomic force microscopy AFM federico. bordi@roma 1. infn. it Ph. OBi. A group - Dip. Fisica – Sapienza Roma 05/04/2018

il principio di funzionamento SPM/AFM una punta sottile (probe) scorre sulla superficie facendone una scansione (scan) sistematica una “riga” alla volta l’insieme di questi profili fornisce una “mappa” del rilievo della superficie o meglio… dell’interazione della punta con la superficie

come se sfiorando con le dita una superficie ne riconoscessimo le caratteristiche al tatto l’informazione che ricaviamo in questo modo è complessa, possiamo riconoscere: • la presenza di rilievi o avvallamenti ( topografia ) • zone più calde o più fredde ( “interazione” termica ) • zone più o meno “scorrevoli” (attrito sulla superficie) • zone più o meno “morbide” (proprietà meccaniche: deformabilità, elasticità) l‘esperienza ci dice che in questo modo, ad esempio, riusciamo a distinguere facilmente una superficie di legno da una di metallo, da una di cuoio o di stoffa

Bordi, Sennato et al. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 114 (2014) 1– 10

sfruttando diversi tipi e modi d’interazione tra probe e superficie possiamo ottenere informazioni che vanno oltre la semplice topografia Ad esempio informazioni su • distribuzione superficiale di cariche elettriche o dipoli magnetici • presenza di zone a conducibilità elettrica o termica differenti • presenza di zone con caratteristiche meccaniche differenti: più “dure” o più “morbide”, più o meno “adesive” queste differenze possono essere legate ad una differente composizione della superficie, che peraltro potrebbe essere perfettamente piana

immagini topografiche phase imaging fibre di legno polimeri depositati su un supporto planare rigido le immagini sopra e sotto sono della stessa zona ma con il contrasto determinato da una diversa interazione punta campione, dalla topografia o dalle caratteristiche meccaniche

la scala. . .

la risoluzione. . .

Microscopia ottica ed elettronica • ingrandimenti (max) : ~ 1000 x 100 000 x • mappa bidimensionale • spesso è necessaria una “colorazione” SPM • ingrandimenti (max) : fino a 100 000 x • informazione in tre dimensioni (spessore) • MA solamente sulla superficie • la “colorazione” non è necessaria, ma la preparazione del campione può essere complessa

risoluzione ed ingrandimento. . . in un microscopio ottico o elettronico tradizionali (wide-field) com’è definita la risoluzione ? e perché parlare di ingrandimento massimo ?

la diffrazione attraverso un disco di Airy George Biddell Airy 18011892 foro circolare è data da da: E. Hecht , Optics, 2002 Addison Wesley

diffrazione attraverso un foro circolare una sorgente puntiforme osservata attraverso una lente convergente con un diametro finito forma per effetto della diffrazione un’immagine di questo tipo -> ciascun “punto” dell’immagine è in realtà un dischetto d per un foro circolare di diametro il primo minimo della figura di diffrazione si ha per l’angolo disco di Airy George Biddell Airy 18011892 q dato dalla condizione

criterio di Rayleigh: due oggetti puntiformi sono distinguibili come oggetti separati (risolvibili) se la loro separazione angolare è almeno cioè quando il centro del disco di Airy dell’uno si trova in corrispondenza del primo minimo dell’altro

facendo uso della definizione di Apertura Numerica dove f è la lunghezza focale dell’obiettivo, ma in pratica la distanza lente-oggetto e tenendo conto del fatto che gli angoli sono generalmente piccoli, per cui e il criterio di Rayleigh si può riscrivere R dove ora è la minima distanza LINEARE tra le due sorgenti puntiformi che si può risolvere

Microscopia Elettronica la lunghezza d’onda associata ad un fascio di elettroni con velocità (non relativistica) v o direttamente in termini del potenziale elettrico V che li accelera (V in volts) già per V~ 10 4 V la lunghezza d’onda è una frazione di Å risoluzione elevatissima ? NO le aberrazioni la riducono a qualche nm

F. Gentile E. di Fabrizio et al Nanoletters 2012 il diametro di una doppia elica di DNA è circa 2 nm

A. Pyne 2014 il diametro di una doppia elica di DNA è circa 2 nm

per una risoluzione così elevata single-wall nanotube bundles: Diameter: 10~30 nm Length: 0. 5~3. 0 mm punte estremamente sottili e… “tocco” molto delicato

La punta (tip) è posta all’estremità di una leva (cantilever) estremamente sottile e flessibile (…tocco delicato !) trascinata sulla superficie del campione … l’interazione punta superficie causa la deflessione del cantilever il movimento del cantilever viene rivelato con un trasduttore forza-segnale elettrico

AFM: trasduttore di forza uno dei trasduttori oggi più usati è la “leva ottica”

AFM: trasduttore di forza un fascio Laser incide sul dorso metallizato della leva flessibile ( cantilever ) che supporta la punta e viene riflesso su un fotodiodo a quattro quadranti

AFM: trasduttore di forza fotodiodo a quattro quadranti

AFM: trasduttore di forza la differenza di corrente tra i quadranti è il segnale per la retroazione

AFM: chip, leve e punte i cantilever sono di solito fabbricati in Silicio o Nitruro di Si con processi di fotolitografia sporgono dal bordo del chip” insieme al quale sono state fabbricate i chip standard hanno dimensioni di circa 3. 5 x 1. 5 x 0. 5 mm

AFM: chip, leve e punte hanno forma rettangolare o triangolare lunghezza 100 - 200 mm larghezza 10 - 40 mm spessore 0. 3 - 2 mm costante elastica k 0. 01 -100 N/m

single-wall nanotube bundles: Diameter: 10~30 nm Length: 0. 5~3. 0 mm

dimensioni relative di supporto : larghezza 1 mm circa cantilever : decine o centinaia di mm punta : raggio curvatura apice 10 -30 nm)

il movimento punta – campione è realizzato con degli attuatori piezoelettrici materiali che sottoposti a campi elettrici si deformano

AFM: attuatore piezoelettrico controlla il movimento relativo di punta e campione con una sensibilità dell’ordine della frazione di Å Piezoelettrici : solidi ceramici che si contraggono/espandono in un campo elettrico viceversa uno stress meccanico genera un momento di dipolo

tipicamente, per variazioni di tensione dell’ordine del Volt si possono ottenere deformazioni dell’ordine dei micrometri quindi, in linea di principio, il movimento può essere controllato sulla scala delle frazioni di nanometro il limite è rappresentatato dalla inevitabile presenza di vibrazioni (meccaniche e dovute all’agitazione termica )

AFM: SCANNER con degli attuatori piezoelettrici si costruiscono gli SCANNER che permettono la scansione dell’intera superficie da esplorare una strategia è quella di impiegare dei piezoelettrici in forma di celle bimorfiche in una cella bimorfica uno degli strati si comprime l’altro si espande determinando una curvatura

AFM: SCANNER con celle bimorfiche a settori si possono ottenere movimenti complessi

AFM: attuatore piezoelettrico la dipendenza del movimento dal campo elettrico applicato non è lineare

AFM: attuatore piezoelettrico in generale si osserva isteresi il movimento ha cioè memoria della storia precedente

AFM: si muove il campione o la punta

in alcuni strumenti è la punta che esegue la scansione (tip scanning) in altri è il campione a muoversi sotto la punta (sample scanning) entrambe le configurazioni hanno vantaggi e svantaggi ad esempio tip scanning • campione grande a piacere • il laser deve “inseguire” il cantilever • più difficile minimizzare le vibrazioni e le derive termiche (circuito meccanico punta campione solitamente più lungo) sample scanning • campione piccolo • la posizione del laser è fissa rispetto al cantilever • circuito meccanico solitamente più breve -> a parità di costi risoluzione più alta

AFM: la superficie viene scansionata per righe

con questi accorgimenti si riesce a tracciare i profili della superficie in grande dettaglio

AFM: la punta geometria della punta ed effetto sul profilo rilevato il profilo rilevato è sempre la convoluzione della forma della punta con il profilo reale

AFM: la punta geometria della punta ed effetto sul profilo rilevato

AFM: risoluzione apparente

il nome Atomic Force Microscopy perché la deflessione del cantilever è una misura della forza con cui la punta interagisce con la superficie e in linea di principio la risoluzione è “atomica”

AFM: interazione punta-campione

curva di forza è la relazione tra la distanza punta superficie e la forza (adesiva o repulsiva) tra punta e superficie

curva di forza fino a quando la forza è la relazione tra la distanza punta superficie e la forza avvicinandosi ancora elastica dal tornando (si (adesivaindietro o repulsiva) tra puntaesercitata e superficie la deflessione prima si la punta è lontana, non cantilever non è riallontana) la punta annulla e poi continua in “sente” la superficie: sufficiente aalto) staccarla rimane per un po’ adesa verso contrario (in : si avvicina mantenendo alla superficie deformazione elastica deflessione nulla quando è sufficientemente vicina è attratta dalla superficie (forze di van der Waals): subito si deflette in

AFM: modalità di imaging

AFM: misure in contatto punta-superficie (contact mode) la punta resta in contatto con la superficie la forza (attrattiva o repulsiva) che agisce tra punta e campione è bilanciata dalla forza elastica generata dalla flessione della leva i cantilever usati in contact-mode hanno costante elastica relativamente piccola per avere maggiore sensibilità e ridurre il rischio deformare il campione

AFM: misure in contatto punta-superficie (contact mode) la punta resta in contatto con la superficie la forza (attrattiva o repulsiva) che agisce tra punta e campione è bilanciata dalla forza elastica generata dalla flessione della leva la scansione può avvenire a forza costante

AFM: misure in contatto punta-superficie (contact mode) la punta resta in contatto con la superficie la forza (attrattiva o repulsiva) che agisce tra punta e campione è bilanciata dalla forza elastica generata dalla flessione della leva oppure a distanza costante

AFM: misure in contatto punta-superficie (contact mode) in presenza di forze adesive, ad esempio in presenza di un film liquido adsorbito, in avvicinamento ed allontanamento appare un’isteresi evidente un film adsorbito d’acqua è in genere sempre presente sulla superficie del campione, a meno di operare in condizioni di ultra-alto-vuoto; il film riduce sensibilmente la risoluzione (effetto “strato di neve”) per la risoluzione atomica è necessario l’ultra-alto-vuoto

in particolare nel Tapping Mode nella scansione in tapping mode la punta oscilla ortogonalmente alla superficie, penetrando il film adsorbito e riuscendone subito l’effetto di trascinamento e le forze capillari sono ridotte

altre interazioni: forza elettrica un esempio di leva e punta sono ricoperte da un sottile strato conduttore tra sonda e campione si applica la somma di una tensione costante e di un segnale sinusoidale questo induce nel campione (dielettrico) una distribuzione di potenziale caratteristica della struttura e delle sue disomogeneità

altre interazioni: forza elettrica un esempio di leva e punta sono ricoperte da un sottile strato conduttore tra sonda e campione si applica la somma di una tensione costante e di un segnale sinusoidale questo induce nel campione (dielettrico) una distribuzione di potenziale caratteristica della struttura e delle sue disomogeneità

altre interazioni: forza elettrica un esempio di il potenziale totale tra punta e campione è quindi e l’energia immagazzinata dalla capacità C tra punta e campione è

altre interazioni: forza elettrica un esempio di la forza elettrica efficace tra punta e campione è quindi e in particolare la sua componente verticale e sviluppando il quadrato

altre interazioni: forza elettrica un esempio di raccogliendo opportunamente si vede facilmente che questa forza è la somma di tre contributi uno costante uno oscillante a frequenza w uno oscillante a frequenza 2 w

altre interazioni: forza elettrica un esempio di dalla terza di queste relazioni si vede che, essendo nota l’ampiezza con un amplificatore lock-in si può ottenere il valore di questa è la Scanning Capacitance Microscopy (SCM) e permette di ottenere informazioni sulle proprietà dielettriche locali anche di strati posti sotto la superficie

non solo morfologia… MB bursting with Contact force of 30 n. N MB thickness is 180± 20 nm

non solo morfologia… Forze misurabili 10 -11 – 10 – 7 N Spostamento minimo 10 -10 m • folding proteine…. • “elasticità” di macromolecole singole • meccanica del DNA e di complessi macromolecolari • motori molecolari

meccanica di singola molecola Linke, W. A. , Fernandez, J. M. et al. Nature (2002) 418, 998 -1002 Bullard, B. C. , Linke, W. A. et al. J. Biol. Chem. (2004) 279, 7917 -7924

riconoscimento molecolare Le punte possono essere modificate legando alla superficie molecole diverse allo scopo di “riconoscere” molecole complementari sul campione Dupres V. et al. Langmuir (2005) 21, 5517– 5523; Biomaterials (2007) 28, 2393 -2402