Caracterización de materiales, AFM, microscopía de fuerza atómica. UANL

1. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN
POSGRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA CON ESPECIALIDAD EN CIENCIAS DE LOS MATERIALES
MATERIA: CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
TEMA: MICROSCOPIA DE SONDEO SUPERFICIAL
CATEDRATICO: DR. MARCO ANTONIO GARZA NAVARRO
ALUMNO: JESÚS ROMO RICO
MATRICULA: 1649886
SEPTIEMBRE 2013

2. El efecto túnel
Las partículas cuánticas a veces pueden atravesar paredes, como si un túnel invisible se abriera
por ellas. Imaginemos que lanzamos un electrón contra una pared, si la pared es lo
suficientemente grande el electrón rebotara, un efecto congruente, pero recordemos que el
electrón es una partícula cuántica y tiene la propiedad onda partícula, entonces, si la pared es
lo suficientemente delgada, el electrón se puede encontrar en ambos sitios de la pared, es
decir, el electrón puede atravesar la pared. El efecto túnel es el principio de funcionamiento de
las microscopias de sondeo superficial, en este trabajo se describirán la técnica del
microscopio de tunelamiento (STM) y del microscopio de fuerza atómica (AFM).
El microscopio de tunelamiento STM
El microscopio de tunelamiento fue desarrollado por el Dr. Gerd Binning y sus colegas en 1981,
es el primer instrumento capaz de obtener imágenes 3-D de superficies solidas con resolución
atómica, Binning y Rohrer recibieron el premio nobel por este descubrimiento en 1986, en este
instrumento una punta conductora del tamaño de uno o varios átomos, se coloca sobre la
superficie de la muestra lo suficientemente cerca para que ocurra el efecto túnel, dándose una
interacción de electrones entre la muestra y la punta.
Para poder obtener una medición de corriente de tunelamiento, los dos materiales deben de
tener una separación no mayor a los 10 nm. Una alta resolución del microscopio de
tunelamiento es obtenida mediante la variación que ocurre en la corriente de tunelamiento
dependiendo de la distancia entre la punta y la superficie a escaneada.
Existen dos modos de operación; la modalidad de corriente constante y la modalidad de altura
constante.
Si se está en el modo de corriente constante, la punta cambia su altura para mantener una
corriente constante, el desplazamiento de la punta es dada por un voltaje aplicado al
piezoeléctrico donde está colocada la punta, otorgando así un mapa topográfico de la
superficie.

3. Si se está en modo de altura constante, la punta puede escanear a través de la superficie a una
altura constante y un voltaje constante mientras que la corriente es monitoreada.

4. Microscopia de fuerza atómica AFM
En la operación del AFM una muestra es colocada en un escáner piezoeléctrico mientras que la
punta de un cantiléver escanea la superficie, la deflexión del cantiléver es medida utilizando un
laser como sensor.
El AFM mide fuerzas ultra pequeñas (<1nN) que ocurren entre la superficie de la punta y la
superficie de la muestra. estas pequeñas fuerzas son medidas, midiendo el movimiento de un
cantiléver flexible que tiene muy pequeña masa.
Modos; estático y dinámico.
En el modo estático, una punta es puesta en contacto con la superficie, los átomos en la punta
de la punta experimentan fuerzas de repulsión débiles, la deflexión del cantiléver es medida
por tunelamiento, capacitancia o deflexión óptica, la resolución de la deflexión puede ser hasta
0.02 nm.
En el modo dinámico, la punta se acerca a la muestra algunos nanómetros y este no entra en
contacto con la muestra, interacciones de Van der Waals son las que ocurren en este tipo de
modalidad.
La punta se encuentra vibrando a una frecuencia de resonancia del cantiléver, la cual se
mantiene en función de la distancia entre la punta y la superficie.
La frecuencia de resonancia varía en función de la raíz cuadrada de la constante elástica del
cantilever mientras que la constante elástica varía conforme cambia el gradiente de fuerzas de
la curva de fuerzas de atracción, el cual también cambia conforme la distancia entre la punta y
la muestra, estos cambios pueden emplearse para construir la imagen de topografía.

5. Otras técnicas de caracterización
Entre otras técnicas de microscopia de sondeo superficial se encuentra la microscopia de
fuerza magnética (MFM), la MFM produce una imagen en 2-D que se obtiene directamente de
los campos magnéticos de la muestra con una resolución lateral de entre 50 y 100 nm.
Esta técnica opera en modo no contacto, donde una punta interactúa con un campo
magnético y se genera un mapeo de las fuerzas magnéticas. El para hacer una caracterización
de microscopia de fuerza magnética se utiliza un AFM con una punta magnetizada.
Microscopia de fuerza de modulación
La FMM detecta variaciones en las propiedades mecánicas de la superficie de la muestra como
la elasticidad de la muestra, adhesión y viscosidad.
La punta está en contacto con la superficie de la muestra mientras que una punta oscila en
modo no contacto, la superficie de la muestra es empujada periódicamente con la muestra y el
cambio de la amplitud en la oscilación del cantiléver puede relacionarse con la elasticidad de la
superficie de la muestra.

6. Microscopia de detección de fases
El modo de operacion de esta tectina es en modo "tapping", la oscilacion del cantilever
amortigua con gracias a la interaccion que tiene con la superficie, el desfase que ocurre entre
la señal y la oscilacion del cantilever es monitoreada. Cambios en el desfase indican
variaciones en las propiedades de la superfice, como la viscoelasticidad o propiedades
mecanicas.

7. Referencias
http://toutestquantique.fr/
http://www.nanoscience.com/education/afm.html
http://parkafm.com/
Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Second Edition, C. Julian Chen, Department of
Applied Physics and Applied Mathematic, Columbia University, New York.
Magnetic Force Microscopy Techniques and Applications, Institut d'Études Scientifiques de
Cargèse, France. June 2-7 2008.