Aplicaciones de la Microscopía de Fuerzas Atómicas en la

Aplicaciones de la Microscopía de Fuerzas Atómicas en la

Aplicación de la Microscopía de Fuerza
Atómica en la investigación de materiales
Mary Cruz Reséndiz González
i. Introducción a SPM
ii. Partes de un SPM
iii.Historia
iv. Forma más común de SPM
a) Modos de operación
v. Aplicaciones de SPM
vi. Conclusiones
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Introducción a SPM
Técnicas de microscopía en las cuales una punta delgada y
con terminación extremadamente fina, monitorea la
superficie de una muestra registrando la interacción entre la
punta y la muestra a fin de obtener una imagen de la
morfología y estudiar sus propiedades.
3
Partes de un SPM
cabeza
escáner
punta
software
cantilever
4
Historia de SPM
Premio Nobel en Física 1986
“Por el diseño del Microscopio de Tunelamiento”
Heinrich Rohrer
Gerd Binnig
Átomos de Xe sobre una superficie de Ni
G. Binning and H. Rohrer,Ch. Geber and E. Weibel. Physical Review Letters, 49, 57 (1982)
5
Innovación e Historia
2009
Dimension
Icon
BioScope
Catalyst
TappingModeTM
PhaseImagingTM
And
LiftModeTM
AFM Force
Spectroscopy
High Temp
Polymer Imaging
Closed-Loop SPM
and
st
1 Life Science
AFM
Torsional
Electrical Resonance Mode
Apps Modules
Single Harmonic
Imaging
MIRO Image Reg.
& Overlay
HarmoniXTM Material
Mapping
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Algunas configuraciones para investigación:
Innova
Caliber
Multimode
Dimension Icon
Bioscope
Catalyst
Equipos totalmente automatizados:
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• No solo topografía!
Técnica ó
Interacción registrada
Información obtenida
Microscopía
STM
Corriente de tunelamiento
Topografía tridimensional: tamaño,
forma y
periodicidad detallada, rugosidad de la superficie.
Estructura Electrónica, y posible identidad elemental.
AFM
Fuerzas Interatómicas e
intermoleculares
Topografía tridimensional: tamaño, forma
periodicidad de detalles, rugosidad superficial
MFM
Fuerzas Interatómicas y Fuerzas
intermoleculares
LFM
Fuerzas de fricción
Diferencias de adhesion y fricción localizadas.
MFM
Fuerza Magnética
Tamaño y forma de detalles magnéticos. Fuerza y
polaridad de campos magnéticos localizados.
SThM
Transferencia de calor
Diferencias en Conductividad térmica entre detalles
superficiales.
EFM
Fuerzas Electrostáticas
Gradientes de Fuerza Electrostática en la superficie de
la muestra debida a concentraciones de dopante.
NSOM
Reflexión, absorción y
Fluorescencia de luz
Propiedades ópticas de la superficie.
y
Dureza y elasticidad de la superficie localizadas.
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Acrónimos…
• Magnético & Eléctrico
• MFM
• EFM
• SP
• C-AFM
• TUNA
• SSRM
• SCM
• PFM
• Mecánico:
• Fase
• FMM
• Force Volume
• Nano-Indentación
• LFM or FFM
• HarmoniX
 Térmico:
– SThM
– TA
 Modos especiales:
– Modo-TR
– Q-control
– Nanolithografía
– Nanomanipulación
– TERS
 Electrochemical
– EC-AFM
– EC-STM
– SECPM
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AFM: forma más común de SPM
Retroalimentación que
mantiene constante la deflexión
del cantilever
Electrónica del
Controlador
láser
Electrónica
del Detector
Fotodiodo del
detector
Scanner
Cantilever &
punta
Muestra
Principales modos de operación:
• Modo Contacto
• Modo Contacto intermitente o Tapping
• Modo
12
La importancia de la punta..
1
3
13
Aplicación de SPM a superficies metálicas
• Morfología & Rugosidad
• Paraámetros de proceso y deposición
• Espesor de películas delgadas
• Pruebas Mecánicas
• Nanoidentación
• Instrumentos para observar flexión,
tensión, y estrés por compresión
• Compositos
• Distribución de fases de materiales
• Corrosión
• Estudios en celdas electroquímicas In situ
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¿Porqué usar AFM para analizar morfología?
• Estudiar partículas individuales directamente de
la escala nanométrica a ~100 micras
• Resolución: 1-5nm lateral, <0.05nm vertical
• Provee información tridimensional
• Preparación simple de muestra
• Analiza aislantes y conductores
• Opera en medio ambiente y líquido
• Investiga fuerzas superficiales e interacciones
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Tamaño de partícula: partículas de titanio
muestra cortesía de T. Matsoukas, D. Vorkapic, Penn. State Univ.
16
Tamaño de partícula: partículas de titanio
muestra cortesía de T. Matsoukas, D. Vorkapic, Penn. State Univ.
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Imagen de Fase
Medición simultánea durente el modo Tapping
El retraso de fase
entre la oscilación
del cantilever y la
señal de oscilación
enviada al piezo,
son monitoreadas
y registradas para
establecer
diferencias, como
adhesión
y
viscoelasticidad.
18
Partículas de titanio recubiertas
19
Distribución en compositos
Partículas de arcilla en papel
20
Soldadura de SnPb
Cortesía de Donovan Leanord, Phil Russell, North Carolina State University
21
EFM en polipropileno con 10% de carbono
Topografía
EFM Fase
3x3 m
22
No solo topografía…
• Materiales/Mecánica
•
fase
•
nano-identación
•
fricción
•
elasticidad
•
acústica
•
respuesta piezo-eléctrica
•
…..
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EC AFM para el estudio de la corrosión
La prevención de la
corrosión es de gran
importancia económica.
El entendimiento de su
mecanismo
es
fundamental para su
inhibition.
El
modo
ECAFM del multimodo se
usó en conjunto con
métodos electroquímicos
tradicionales
para
investigar las etapas del
mecanismo de corrosión
de
una
superficie
recubierta de zinc.
Series de imágenes ECAFM in-situ de zinc en agua destilada.
J. Electrochemical Society 2004 151 B319. Yong Hwan Kim, … Won Sub Chung*
Pusan National University, Korea
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Estudio de una batería de litio por EC AFM
Se estudió el potencial de
K2FeO4 y BaFeO4 como
materiales electrodo para
baterías recargables de
litio.
Se evaluó la inserción del
ion litio en estos
compuestos, así como la
dependencia en morfología
y su comportamiento
electroquímico.
Imágenes de AFM in situ de una película delgada de K2FeO4 en LiClO4 1M
Maxim Koltypin, Stuart Licht*, Israel Nowik, Ran Tel Vered, Elena Levi, Yosef Gofer, and Doron Aurbacha*
J. Electrochem. Soc. 2006 153 A32
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Morfología de Cu, Co, Ni y Fe
electrodepositados
Cu 5x5μm
Co 2x2μm
Fe 2x2μm
Ni 2x2μm
Imágenes cortesía de Batric Pesic, Universidad de Idaho
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Auto-Ensamble de Co durante
electrodeposición
Co Height
5x5μm
Co Height
Co 2x2
μm
Co MFM
Imágenes cortesía
de Batric Pesic,
Universidad de
Idaho
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No solo topografía…
•
Eléctrica
•
dopantes,carga, resistividad, campo eléctrico, potencial,
corriente
• Térmica
•
temperatura
• Magnética
•
Campo magnético
•
…..
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Superficie de alúmina grabada térmicamente
Depresiones y
ángulos de diferentes
límites de grano
=> - límites de grano
energías de
superficie
- coeficiente de
difusión de superficie
Diferente orientación
de los cristales
Barrido de 7.5µm
Cortesía de D. Leonard and P. Russell North Carolina State University
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Microscopía de Fuerza Magnética de Perlita
Altura
Magnética
10μm
Cortesía de Donovan Leanord, Phil Russell, North Carolina State University
30
Potencial de superficie en Al
Topografía (a) e imágenes SP (b) de una muestra de aluminio. Barrido de 8.8µm
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EFM de composito Cu-Epoxy
Altura
Electrostática
9.71μm Scan
32
EFM en transistor saturado
33
EFM en Polipropileno modificado
llenado con carbono
EFM Fase, lift
Altura
3x3 m
34
EFM en PANI en PMMA
muestra cortesía de Matthew Housley, UCSB
Voltaje: 5V
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Potencial de superficie: Tungsteno en Silicio
Topografía (izq.) e imágenes SP (der.) de tungsteno islas sobre
silicio. Las regiones obscuras corresponden a un potential bajo en
la imagen SP
Barrido de 76µm.
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No solo topografía…
• Materiales/Mecánica
•
nanomanipulación
•
nanoidentación
•
nanolitografía
•
…..
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Nanomanipulación de CNT
1. Obtenida en modo Tapping
2. Manipulación en modo Contacto
Barrido de 900nm x 500nm,
nanotubos de carbono
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Nanomanipulación & Nanolitografía
1. Nanomanipulación
2. Nanolithografía
Tamaño de barrido 900nm x
500nm, nanotubos de
carbono
Tamaño de barrido de 4µm x
4µm, canal formado en Si con
oxidación anódica (G. Jones,
Uni Cambridge, UK)
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Identaciones en una rejilla de
oro de 1µ2.
•
Identaciones con varias
fuerzas
usadas
para
probar el filo y la
orientación de las puntas
de diamante montadas en
los
cantilevers
de
identación.
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Identaciones en dos películas
diferentes de DLC
•
Tres fuerzas diferentes aplicadas (23, 34, and 45µN) con cuatro
identaciones hechas con cada fuerza
•
Cada película fué identada usando la misma fuerza y cantilever a
fin de comparar la dureza
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No solo topografía…
• Materiales/Mecánica
•
Experimentos con temperatura controlada
•
Control de atmósferas…..
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Estudios de transiciones térmicas en polímeros
fusión & cristalización de polipropileno sindiotáctico (imágenes de altura)
T=100oC
T=110oC
T=125oC
T=140oC
T=160oC
T=100oC
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AFM a temperaturas elevadas
Capa ultrafina de PMMA-PS copolímero (imagen de fase)
290C
1400C
1600C
290C
1600C
2000C
En aire
3 m
En He
5 m
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Fusión y recristalización de PEO
Ciclo de fusión y
recristalización. antes
(izq.) & después (der).
Imágenes de 8x8µm
en modo Tapping.
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Estudios de AFM a bajas temperaturas
Cristalización de polidietilsiloxano (PDES)
-6°C
-13ºC
-18ºC
15 m
-25ºC
-28ºC
-30ºC
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También para biomateriales..
• AFM provee:
• Alta resolución en caracterización de superficies y
propiedades mecánicas antes y durante la síntesis de un
material (sintético o natural)
• Biocompatibilidad de tejidos, entre el material artificial y
su interacción con el material biológico (proteínas,
celulas, etc.)
• AFM puede usarse para determinar:
• Cambios en la superficie de implantes y sus propiedades
mecánicas antes y después de usarse
• Estos análisis son importantes en:
• Investigación y desarrollo
• Control de calidad
• Análisis de fallas
Ventajas..
• Operación en fluidos “real”
• Operación con amplio rango de temperatura
• Alta resolución, datos tridimensionales
• Capacidad de mediciones dinámicas(por ejemplo
estimulo-respuesta)
• Pruebas no destructivas
• Capacidad de medición de fuerzas del órden de pNw
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LifeScience examples: from large to small
Large scale image of endothial cells, and high magnification image of
GroEs proteins
65x65 um scan
78x78 nm scan
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Bone Architecture: Human Cortical Bone
• The collagen fibrils have a
periodic pattern of 70 nm.
• Hydroxyapatite particles
are also visible
1 m scan
Courtesy of R. Railsback and D. Nicollela, Southwest Research Institute
50
Using AFM to Diagnose
Diseased Cartilage
healthy
osteoarthritic
Courtesy of M. Stolz, Aebi Group, U. of Basel,
M.E. Mueller-Institute for Structural Biology
Mol. Biol. Cell (1999) 10: 145a, ~5 µm scans
51
Contact lenses (worn gas permeable)
Before
After injecting cleaning After rubbing in
solution
cleaning
solution
Contact Mode
30 µm scans
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Conclusión:
• Las técnicas de SPM son complementarias entre sí.
• Permiten estudiar morfología y propiedades:
a) Elucidación de micro/nanoestructuras
(compromiso estructura/estado de la punta).
b) Proporcionan evidencia de defectos o dislocaciones
en la estructura cristalográfica.
c) Diferenciación química en moléculas orgánicas
d) Aplicación en control de calidad industrial
• Tienen aplicación en: física de la materia condensada,
biología, biotecnología, metrología y ciencia de materiales.
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Gracias por su atención..
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