Micoscopio De Força Actomica

MICROSCÓPIO DE FORÇA ATÓMICA

A partir de uma modificação do microscópio de tunelamento, combinado com um profilômetro Stylus (aparelho para medir rugosidade em escala microscópica) Binnig, Quate e Gerber, desenvolveram o Microscópio de força atómica em 1986 como resultado de uma colaboração entre a IBM e a Universidade de Stanford, o que permitiu obter imagens reais, em três dimensões, da topografia das superfícies, com uma resolução espacial que se aproxima das dimensões atómicas, ou, seja o AFM( Microscópio de Força Atómica ) usa interacção entre as forças sonda-amostra para traçar o mapa da superfície.

O princípio fundamental de operação do Microscópio de força atómica é a medida das deflexões de um suporte em cuja extremidade livre está montada a sonda. Estas deflexões são causadas pelas forças que agem entre a sonda e a amostra. Os efeitos de uma variedade de forças actuando entre ponta-amostra podem ser analisados, durante a varredura. Essas forças incluem as forças atrativas de van der Waals, forças magnéticas, e forças Coulombianas de média para grandes distâncias, tipicamente ≥ 100 Å (1 Â =10-10 m).

Na Fig. 1., pode-se observar um modelo de Microscópio de força atómica.

Fig. 1. Exemplo de um AFM

Em resumo, quando a ponteira se aproxima da amostra, é primeiramente atraída pela superfície, devido a uma ampla gama de forças atrativas existentes na região, como as forças de van der Waals. Esta atração aumenta até que, quando a ponteira aproxima-se muito da amostra, os átomos de ambas estão tão próximos que seus orbitais eletrônicos começam a se repelir. Esta repulsão eletrostática enfraquece a força atrativa à medida que a distância diminui. As forças anulam-se quando a distância entre os átomos é da ordem de alguns angstroms (da ordem da distância característica de uma união química). Quando as forças se tornam positivas, podemos dizer que os átomos da ponteira e da amostra estão em contato e as forças repulsivas acabam por dominar.

O microscópio de força atômica forneceu as bases para o desenvolvimento da nanotecnologia. O princípio de um microscópio de força atômica (AFM) é baseado na alteração das características de vibração de uma viga cantilever devido a forças entre a ponta do cantilever e a amostra. Uma vez que estas forças são inter-atômica na natureza, não é necessário que a amostra seja uma superfície eletricamente condutora. Como resultado, Microscópio de força atómica é aplicável aos condutores e não condutores, bem como superfícies.

Há vários modos de operação para a digitalização e mapeamento de superfície. Esses modos incluem não contato o modo de contato, e modo de contato intermitente.

Os três modos de operação diferentes um do outro na ponta da proximidade da amostra. No modo contato a ponta do cantilever toca a amostra, e, assim, as forças de interacção incluem tanto forças de atrito como forças de atração e repulsão. No modo não contato, não há contato entre a ponta do cantilever e a amostra e, portanto, as forças são regidas somente pelo um potencial de interação.

O modo intermitente (tapping) tem sido amplamente utilizado em nanômetro-escala na caracterização da superfície de materiais, especialmente para materiais macios como polímeros, moléculas de DNA e proteínas. Sendo o cantilever excitado em uma freqüência próxima da freqüência natural da amostra, o que possibilita manter a amplitude de oscilação do cantilever em um valor fixo.

Neste caso o cantiléver percorre a amostra vibrando perto de sua freqüência de ressonância. O cantiléver trabalha, principalmente, nas regiões de atuação da interação de van der Waals. Entretanto pode tocar ligeiramente a amostra o que pode causar ação da repulsão eletrostática.

Mesmo com a grande utilização do modo intermitende em experiências, ainda há necessidade de uma melhor compreensão das vibrações do microcantilever, pois a precisão da estimativa das forças de interações entre o tip e amostra depende fundamentalmente da qualidade do modelo matemático utilizado para analisar a dinâmica da microestrutura, influenciando diretamente na estratégia de controle, resultando na precisão da imagem.

Os modelos matemáticos utilizados são em sua maioria sistemas lineares massa-mola-amortecedor que incorporaram a força não-linear derivada da interacção entre a ponta e a amostra.

A inerente e altamente não-linearidade na interacção ponta-amostra dá lugar a uma dinâmica complexa do cantilever no Microscópio de força atómica. A não-linearidade é essencial para a compreensão da dinâmica do sistema, pois há muitas forças não-lineares em Microscópio de força atómica, como as forças de atração de van der Waals, as interações repulsivas Shortrange e não linearidades de contato. [8], [9] e [10].

O Microscópio de força atómica poderia impactar significativamente fabricação e muitos processos de fabricação, devido às suas vantagens, tais como topografia 3D de nano-fabricação e metrologia para MEMS. E para que a Microscópio de força atómica tenha um bom desempenho, é necessário identificar e, eliminar possíveis movimentos caóticos do cantilever.

O caos na Microscópio de força atómica vai depender do amortecimento da excitação, e da distância entre a ponta do cantilever e a amostra, sugerindo que um controle feedback dos estados pode ser usado para eliminar a possibilidade de comportamento caótico.

Princípios básicos

Esquema do funcionamento de um microscópio de força atômica.

Essa pequena ponta é acoplada a uma consola (ponteira) que está fixa a um suporte. Entre a ponta e os átomos da superfície da amostra existem interaçôes que podem ser atrativas ou repulsivas. Em grandes distâncias, as interações são predominantemente atrativas, devido às forças de Van der Waals. Se aproximarmos ainda mais a ponta com a superfície, as interações são repulsivas devido a repulsão entre os orbitais eletrônicos dos átomos da superfície da amostra e os da ponta do microscópio de força atômica. A força anula-se quando a distância entre os átomos é da ordem de alguns ångstroms (da ordem da distância característica de uma união química).

A força resultante destas interações faz com que a consola (de 100 a 200 mm de comprimento) se aproxime ou se afaste gerando deflexões. Na consola é fixado um pequeno elemento piezelétrico (modulador piezo)