Caratterizzazioni Strutturali e di Superficie
Referente: Rossi Francesca
Microscopia a forza atomica
   PER MAGGIORI INFO SU QUESTA TECNICA: Lucia Nasi (lucia.nasi@imem.cnr.it, tel 0521-269285)

 

Setup

AFM Setup

 

AFM Veeco Dimension 3100 Nanoman

Prestazioni: 

  • AFM in contatto 
  • AFM in tapping mode  
  • MFM Microscopia a Forza Magnetica
  • SCM Microscopia a scansione di capacità 
  • STM Microscopia a effetto tunnel
  • Nanolitografia e  Nanomanipolazione (scanner closed loop)

Massima area di scansione: 100 µm x 100 µm

Dimensione dei campioni: fino a 150 mm di diametro e 12 mm di spessore

 

Metodologia

AFM in contatto: una punta posta all’estremità di una leva (cantilever) esegue una scansione a contatto sulla superficie del campione da analizzare. Le forza di attrazione e repulsione tra la punta e il campione producono una deflessione della leva che viene rilevata dalla riflessione su di essa di un laser, che termina su un fotodiodo a quattro quadranti. Un circuito di feedback regola la distanza tra la punta e il campione. La mappa risultante rappresenta la topografia della superficie del campione in esame. La massima risoluzione laterale è legata al raggio di curvature della punta, tipicamente qualche nm, mentre quelle verticale è dell’ordine di qualche Å.
L’AFM può misurare tutti i materiali , compresi isolanti e campioni biologici.

AFM in tapping mode: il principio di funzionamento è analogo a quello in contatto, con la differenza che in questa modalità la leva viene fatta oscillare alla sua frequenza di risonanza in modo che la punta tocchi la superficie del campione ad intermittenza. La topografia viene costruita rilevando le variazioni di ampiezza o di fase causate dall’interazione punta-superficie durante la scansione. Grazie al contatto ad intermittenza e non continuo, questo modo di lavoro riduce il danneggiamento della punta o della superficie del campione ed è particolarmente adatto allo studio di materiali soft come ad esempio quelli organici o biologici. 

MFM Microscopia a Forza Magnetica: la punta in questa modalità è ricoperta da uno sottile strato di materiale ferromagnetico. Misurando le variazioni di fase dell’oscillazione indotte dall’interazione magnetica punta-campione, si costruiscono mappe dei domini magnetici con magnetizzazione perpendicolare alla superficie del campione. Per separare il contributo magnetico da quello topografico, si utilizza la tecnica a doppia scansione (modalità Interleave): durante la prima scansione si registra la topografia, nella seconda scansione la punta viene sollevata di qualche decina di nm (modalità Lift)  e segue il profilo topografico. Durante questo secondo passaggio vengono rilevate le interazioni magnetiche a lungo range . 

SCM Microscopia a scansione di capacità: con questa tecnica è possible misurare, anche quantitativamente, variazioni locali di capacità tra una punta conduttrice e il campione conduttore o semiconduttore. Viene particolarmente utilizzata per mappare I profili di doping di semiconduttori con risoluzione laterale di una decina di nm.

STM Microscopia a effetto tunnel: in questa modalità l’immagine topografica della superficie viene costruita rilevando la corrente di tunneling che passa tra una sonda conduttrice un campione conduttore. La dipendenza esponenziale della corrente dalla distanza punta-campione permette, in vuoto, risoluzioni verticali di frazioni di Angstrom. 
Per raggiungere risoluzioni elevate, tuttavia, è necessario operare in vuoto per evitare la presenza di contaminanti su punta e campione. 

Nanolitografia e  Nanomanipolazione: il preciso posizionamento della punta sul campione e la possibilità di controllare direttamente le tensioni tra punta e superficie, consentono di manipolare nanostrutture trascinando la punta nella posizione  desiderata e di ossidare la superficie con precisione nanometrica.

 

Highlights

AFM-MFM NiMnGa
Analisi di film sottili di NiMnGa.
Le immagini AFM e MFM mostrano la presenza di due regioni a diversa morfologia e diversa configurazione magnetica. Le zone X e Y hanno, rispettivamente, magnetizzazione perpendicolare e parallela al piano del film. Ref: Advanced Materials 2015
 
MFM NiMnGa campo esterno

 

Analisi dell’evoluzione dei domini magnetici di un film di NiMnGa a seguito dell’applicazione di un campo magnetico in due direzioni perpendicolari. Ref: Acta Materialia 2020