Microscopia de forță atomică AFM

Introducere

Microscopul de forță atomică (AFM) face parte din familia microscoapelor cu sondă baleabila (SPM - scanning probe microscope) și a fost inventat în 1986 de către Binning, Quate și Gerber. Precursorul AFM-ului, SPM-ul, a fost inventat de către Gerd Binnig și Heinrich Rohrer în anii 1980 la IBM Research - Zurich și a provocat o revoluție în microscopie. Toate instrumentele de tip SPM produc informații morfologice analizând forțele de interacțiune dintre vârful sondei și suprafața materialului analizat.

AFM-ul poate fi utilizat pentru a analiza o gamă variată de materiale cum ar fi: metale și aliaje metalice, oxizi metalici, polimeri, materiale ceramice dar și materiale biologice de exemplu: proteine, bacterii sau celule.

Comparativ cu alte microscoape, AFM-ul a devenit o unealtă puternică și versatilă pentru analizarea în detaliu a diferitelor materiale. În Tabelul 1 sunt prezentate comparativ pe scurt principalele avantaje și dezavantaje ale unor clase diferite de microscoape.

Tabelul 1. Comparație a parametriilor unor tipuri de microscoape

Microscopie optica SEM TEM AFM

Mediu de lucru aer/lichid vid vid aer/lichid/vid

Timp de achiziție imagine rapid rapid rapid lent

Rezoluție orizontală µm nm Å nm/µm

Rezoluție verticală - - - nm

Suprafața analizată µm-mm µm-mm nm nm- µm

Focalizare în adâncime slabă bună bună slabă

Contrast pe suprafețe plane bun slab slab bun

Importanța AFM-ului

Apariția microtehnologiei în anii ’60 și a nanotehnologiei în anii ’80 a produs o revolutie tehnologică în majoritatea domeniilor. Micro și nanotehnologia se ocupă cu o varietate largă de aplicații pentru care se folosesc materiale cu dimensiuni mai mici de 1μm. La nivel nanometric, materialele manifestă proprietăți mecanice, termice, optice și electrice diferite față de ale materialelor la nivel macro. Aceste proprietăți și suprafața mare raportată la volum oferă noi oportunități pentru dezvoltarea tehnologiilor.

Cele mai simple metode de utilizare a nanoparticulelor sunt acoperirea suprafețelor și formarea de sisteme coloidale. Aceste tehnologii sunt folosite în prezent la obținerea de medii antibacteriene prin adaugarea de nanoparticule de argint.

Fenomenele complexe care au loc în interiorul și la suprafața dispozitivelor nanotehnologice au dus la apariția a unor întregi domenii tehnologice dintre care amintesc:

- acoperirea suprafețelor cu oxizi, materiale ceramice sau polimeri pentru creșterea biocompatibilității;

- folosirea nanotuburilor de carbon sau a polimerilor pentru eliberarea controlată de medicamente în corp;

- folosirea semiconductorilor cum ar fi TiO2 în aplicații fotocatalitice, fotovoltaice sau de fotodetectie;

- folosirea polimerilor conductori ca microsenzori;

- expolatarea fenomenului de puncte cuantice pentru obținerea tehnologiilor fotovoltaice și optoelectronice;

Odată cu inventarea AFM-ului a devenit posibilă nu numai analiza amănunțită a suprafețelor dar și manipularea materiei la nivel nanometric. AFM-ul nu ofera numai informații despre topografie ci și despre proprietățile care au loc pe suprafețe în timp real.

Principii de bază

Un AFM constă dintr-un cantilever cu un vârf ascuțit care este folosit pentru a scana suprafața probei, un laser, un aranjament de fotodiode, motoare piezoelectrice și o unitate de control (Fig.1). Raza laser este reflectată din vârful cantileverului și îndreptată spre fotodiode. Interacțiunile dintre vârf și suprafața probei analizate, provoacă deflecții ale vârfului. Aceste deflecții sunt înregistrate și transformate în imagini topografice de către computer. Pentru a evita producerea pagubelor (ruperea vârfului sau distrugerea probei) un mecanism de feedback ajustează distanța dintre vârf și probă, mentinând o forță constantă între varf și suprafața probei. În mod normal, proba este pusă pe un tub piezoelectric care produce o mișcare pe direcția z pentru a mentine forța constantă și pe direcțiile x și y pentru scanarea probei.