Microscopia a scansione di sonda

Da Teknopedia, l'enciclopedia libera.
Vai alla navigazione Vai alla ricerca

La microscopia a scansione di sonda (SPM, Scanning Probe Microscopy) è un ramo della microscopia che forma le immagini di superfici usando una sonda fisica che esegue la scansione del campione. Un'immagine della superficie è ottenuta meccanicamente spostando la sonda in un raster di scansione (raster scan) del campione, riga per riga e registrando l'interazione sonda-superficie in funzione della posizione. La SPM è stata istituita nel 1981 con l'invenzione del microscopio a scansione a effetto tunnel.

Molti microscopi a scansione di sonda sono in grado di raffigurare molte interazioni simultaneamente. La maniera di utilizzare queste interazioni per ottenere un'immagine è generalmente chiamata "modo".

La risoluzione varia alquanto da tecnica a tecnica, ma alcune tecniche di sonda raggiungono una risoluzione atomica piuttosto impressionante. Ciò è dovuto in gran parte alla capacità degli attuatori piezoelettrici di eseguire movimenti con una precisione e accuratezza a livello atomico o meglio in base al comando elettronico. Si potrebbe giustamente chiamare questa tipo di tecniche "piezoelettriche". L'altro denominatore comune è che i dati sono in genere ottenuti come una griglia bidimensionale di punti dati (data points), visualizzati in colori falsi come immagine del computer.

I tipi di microscopia a scansione di sonda

[modifica | modifica wikitesto]

Di queste tecniche l'AFM e la STM sono quelle più comunemente utilizzate per misurazioni grossolane.

Punte della sonda

[modifica | modifica wikitesto]

Le punte della sonda sono normalmente in platino/iridio oppure oro. Ci sono due metodi principali per ottenere una punta acuminata di sonda: l'incisione tramite acido e il taglio. Il primo consiste nell'immergere l'estremità di un filo prima in un bagno acido e aspettare fino a quando non viene inciso e la parte inferiore non sia sgocciolata del tutto. Il rimanente viene poi rimosso e la punta che ne risulta è spesso del diametro di un atomo. Un metodo alternativo e molto più rapido è quello di prendere un filo sottile e tagliarlo con un paio di forbici o un bisturi. Testare la punta prodotta tramite questo metodo su un campione con un profilo noto indicherà se la punta è buona o meno e un unico punto acuminato viene raggiunto in circa il 50% del tempo. Non è raro che tramite questo metodo risulti una punta con più di un picco; si può facilmente discernere che questa scansione causi un elevato livello di immagini fantasma.

Vantaggi della microscopia a scansione di sonda

[modifica | modifica wikitesto]
  • La risoluzione dei microscopi non è limitata dalla diffrazione, ma solo dalle dimensioni del volume di interazione sonda-campione (vale a dire la funzione di diffusione di un punto), che può essere piccolo di alcuni picometri. Perciò è incomparabile la capacità di misurare le piccole differenze locali riguardo all'altezza dell'oggetto (come quella dei "gradini" (steps) di 135 picometri su <100> di silicio). Lateralmente l'interazione sonda-campione si estende solo attraverso l'atomo di punta o gli atomi coinvolti nell'interazione.
  • L'interazione può essere usata per modificare il campione onde poter creare strutture di piccole dimensioni (nanolitografia).
  • A differenza dei metodi utilizzati per il microscopio elettronico, i campioni non necessitano di un vuoto parziale, ma possono essere osservati in aria, a temperatura e pressione standard oppure mentre sono immersi in un recipiente per la reazione di liquidi.

Svantaggi della microscopia a scansione di sonda

[modifica | modifica wikitesto]
  • La forma dettagliata della punta di scansione è a volte difficile da determinare. Il suo effetto sui dati che ne risultano è particolarmente rilevante se il campione varia notevolmente in altezza su distanze laterali di 10 nm o anche meno.
  • Le tecniche di scansione sono generalmente più lente ad acquisire le immagini, a causa del processo di scansione. Come risultato, gli sforzi vengono fatti per migliorare notevolmente la velocità di scansione. Come tutte le tecniche di scansione, l'inserimento di informazioni spaziali in una sequenza temporale apre la porta alle incertezze in metrologia, vale a dire di distanze e angoli laterali, che sorgono a causa degli effetti del dominio temporale come l'accumulo del campione, l'oscillazione del loop di retroazione (feedback) e le vibrazioni meccaniche.
  • La dimensione massima dell'immagine è generalmente più piccola.
  • La microscopia a scansione di sonda spesso non è utile per esaminare le immersioni di interfacce solido-solido o liquido-liquido.

Note

[modifica | modifica wikitesto]
  1. ^ (EN) G. Binnig, C. F. Quate e Ch. Gerber, Atomic Force Microscope, in Physical Review Letters, vol. 56, n. 9, 3 marzo 1986, p. 930, DOI:10.1103/PhysRevLett.56.930.
  2. ^ (EN) W. J. Kaiser e L. D. Bell, Direct investigation of subsurface interface electronic structure by ballistic-electron-emission microscopy, in Physical Review Letters, vol. 60, n. 14, 1988, p. 1406, DOI:10.1103/PhysRevLett.60.1406.
  3. ^ (EN) L. Zhang, T. Sakai, N. Sakuma, T. Ono, K. Nakayama, Nanostructural conductivity and surface-potential study of low-field-emission carbon films with conductive scanning probe microscopy, in Applied Physics Letters, vol. 75, n. 22, 1999, pp. 3527-3529, DOI:10.1063/1.125377.
  4. ^ (EN) J. M. R. Weaver, David W. Abraham, High resolution atomic force microscopy potentiometry, in Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, vol. 9, n. 3, 1991, pp. 1559-1561, DOI:10.1116/1.585423.
  5. ^ (EN) S. R. Higgins, R. J. Hamers, Morphology and dissolution processes of metal sulfide minerals observed with the electrochemical scanning tunneling microscope, Madison (Wisconsin), marzo 1996, vol. 14, AVS, marzo 1996, pp. 1360-1364, DOI:10.1116/1.589098. URL consultato il 28 marzo 2010 (archiviato dall'url originale il 5 marzo 2016).
  6. ^ (EN) M. Fritz, M. Radmacher, N. Petersen, H. E. Gaub, Visualization and identification of intracellular structures by force modulation microscopy and drug induced degradation, in The 1993 international conference on scanning tunneling microscopy, The 1993 international conference on scanning tunneling microscopy, vol. 12, Beijing, China, AVS, maggio 1994, pp. 1526-1529, DOI:10.1116/1.587278. URL consultato il 28 marzo 2010 (archiviato dall'url originale il 5 marzo 2016).
  7. ^ (EN) M. Nonnenmacher, M. P. O'Boyle, H. K. Wickramasinghe, Kelvin probe force microscopy, in Applied Physics Letters, vol. 58, n. 25, 1991, pp. 2921-2923, DOI:10.1063/1.105227.
  8. ^ (EN) U. Hartmann, Magnetic force microscopy: Some remarks from the micromagnetic point of view, in Journal of Applied Physics, vol. 64, n. 3, 1988, pp. 1561-1564, DOI:10.1063/1.341836.
  9. ^ (EN) J. A. Sidles, J. L. Garbini, K. J. Bruland, D. Rugar, O. Züger, S. Hoen, C. S. Yannoni, Magnetic resonance force microscopy, in Reviews of Modern Physics, vol. 67, n. 1, 1995, p. 249, DOI:10.1103/RevModPhys.67.249.
  10. ^ (EN) E. BETZIG, J. K. TRAUTMAN, T. D. HARRIS, J. S. WEINER, R. L. KOSTELAK, Breaking the Diffraction Barrier: Optical Microscopy on a Nanometric Scale, in Science, vol. 251, n. 5000, 22 marzo 1991, pp. 1468-1470, DOI:10.1126/science.251.5000.1468. URL consultato il 5 ottobre 2009.
  11. ^ (EN) A. Roelofs, U. Bottger, R. Waser, F. Schlaphof, S. Trogisch, L. M. Eng, Differentiating 180° and 90° switching of ferroelectric domains with three-dimensional piezoresponse force microscopy, in Applied Physics Letters, vol. 77, n. 21, 2000, pp. 3444-3446, DOI:10.1063/1.1328049.
  12. ^ (EN) R. C. Reddick, R. J. Warmack, T. L. Ferrell, New form of scanning optical microscopy, in Physical Review B, vol. 39, n. 1, 1º gennaio 1989, p. 767, DOI:10.1103/PhysRevB.39.767. URL consultato il 5 ottobre 2009.
  13. ^ (EN) J. R. Matey, J. Blanc, Scanning capacitance microscopy, in Journal of Applied Physics, vol. 57, n. 5, 1985, pp. 1437-1444, DOI:10.1063/1.334506.
  14. ^ (EN) M. A. Eriksson, R. G. Beck, M. Topinka, J. A. Katine, R. M. Westervelt, K. L. Campman, A. C. Gossard, Cryogenic scanning probe characterization of semiconductor nanostructures, in Applied Physics Letters, vol. 69, n. 5, 29 luglio 1996, pp. 671-673, DOI:10.1063/1.117801. URL consultato il 5 ottobre 2009 (archiviato dall'url originale il 5 marzo 2016).
  15. ^ (EN) PK Hansma, B Drake, O Marti, SA Gould, CB Prater, The scanning ion-conductance microscope, in Science, vol. 243, n. 4891, 3 febbraio 1989, pp. 641-643, DOI:10.1126/science.2464851. URL consultato il 5 ottobre 2009.
  16. ^ (EN) R. Wiesendanger, M. Bode, Nano- and atomic-scale magnetism studied by spin-polarized scanning tunneling microscopy and spectroscopy, in Solid State Communications, vol. 119, n. 4-5, 25 luglio 2001, pp. 341-355, DOI:10.1016/S0038-1098(01)00103-X, ISSN 0038-1098 (WC · ACNP). URL consultato il 5 ottobre 2009.
  17. ^ (EN) P. De Wolf, J. Snauwaert, T. Clarysse, W. Vandervorst, L. Hellemans, Characterization of a point-contact on silicon using force microscopy-supported resistance measurements, in Applied Physics Letters, vol. 66, n. 12, 1995, pp. 1530-1532, DOI:10.1063/1.113636.
  18. ^ (EN) J. B. Xu, K. Lauger, K. Dransfeld, I. H. Wilson, Thermal sensors for investigation of heat transfer in scanning probe microscopy, in Review of Scientific Instruments, vol. 65, n. 7, 1994, pp. 2262-2266, DOI:10.1063/1.1145225.
  19. ^ (EN) G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel, Tunneling through a controllable vacuum gap, in Applied Physics Letters, vol. 40, n. 2, 1982, pp. 178-180, DOI:10.1063/1.92999.
  20. ^ (EN) T. Trenkler, P. De Wolf, W. Vandervorst, L. Hellemans, Nanopotentiometry: Local potential measurements in complementary metal--oxide--semiconductor transistors using atomic force microscopy, in J. Vac. Sci. Techn. B, vol. 16, 1998, pp. 367-372, DOI:10.1116/1.589812.
  21. ^ (EN) A. M. Chang, H. D. Hallen, L. Harriott, H. F. Hess, H. L. Kao, J. Kwo, R. E. Miller, R. Wolfe, J. van der Ziel, T. Y. Chang, Scanning Hall probe microscopy, in Applied Physics Letters, vol. 61, n. 16, 1992, pp. 1974-1976, DOI:10.1063/1.108334.

Altri progetti

[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni

[modifica | modifica wikitesto]
Controllo di autoritàGND (DE) 4330328-6 · NDL (EN, JA) 00577272
Estratto da "https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Microscopia_a_scansione_di_sonda&oldid=136821327"