1. SPM Family Tree
Invented at IBM by
Gerd Binning and
Heinrich Rohrer
2nm
STM of silicon-Si(111)
7x7reconstruction

2. Principi fondamentali delle tecniche
SPM (STM & AFM)
Le tecniche SPM si basano su una sonda molto sottile
posizionata in un intervallo di pochi nanometri al di sopra
della superficie di interesse. Quando la sonda trasla
lateralmente (scanning) rispetto al campione, qualsiasi
variazione nell’altezza della superficie fa cambiare il
segnale rivelato dalla sonda.
Scansionando la sonda sulla superficie mentre si misura una
qualche interazione fra sonda e superficie si ottiene una
mappa 3-D del profilo della superficie.
Segnali sonda che sono stati utilizzati per studiare le
superfici comprendono la corrente elettronica di tunneling
(STM), le forze interatomiche (forza di van der Waals,
AFM), la forza magnetica (MFM), la forza elettrostatica
(EFM), le forze di attrito (FFM), etc.
I segnali sonda dipendono così fortemente dall’interazione
sonda-campione che si possono rivelare variazioni dell’altezza
sul substrato di ~0.1Å con una risoluzione laterale sub-
micrometrica.

3. Schema di un generico SPM
Gli SPM vengono usati per studiare la topografia superficiale e le
proprietà dei materiali dal livello atomico a quello micrometrico.
Sensore del moto della sonda
Sonda
Scanner
Elettronica
Computer
Isolamento dalle vibrazioni

4. Scanner piezoelettrici
Meccanismo di scansione in (x, y) della
superficie in un generico SPM

5. L’AFM misura le forze interatomiche che si esercitano tra la
punta e il campione.
Il fascio laser viene
riflesso dal cantilever e
inviato a un fotodiodo.
Man mano che la leva
scansiona il campione si
Detettore a
piega e la posizione del
fotodiodi
fascio laser sul
detettore si sposta. La
deflessione del
cantilever misura la
forza verticale fra la
punta e il campione.
Punta
L’altezza del campione
si misura registrando lo
spostamento verticale
della punta mentre si
scanner
mantiene costante la
piezoelettrico
deflessione del
Rivelazione ottica della deflessione della leva cantilever.
Le mappe topografiche 3-D della superficie si
costruiscono plottando l’altezza locale in
funzione della posizione orizzontale della punta.

6. Dimensioni tipiche dei cantilever
vista laterale
b
2θ t
Valori tipici :
b= 150 μm
cantilever punta
θ=35o
L=200 μm
L1=150 μm
vista dall’alto
t =0.6 μm
L L1
d = 18 μm
2θ
d d
b

7. Cantilever e punte per microscopia a forza
atomica microfabbricate

8. Misura dello spostamento :
deflessione del fascio ottico
FORZA NULLA :
specchio Fotodiodo
AB
segmentato
CD
fascio laser
δ=0
cantilever punta
FORZA REPULSIVA : FORZA ATTRATTIVA :
AB
AB CD
CD
δ<0
δ>0

9. AFM : Modi di operare
A contatto intermittente :
tapping (AC)
A contatto (DC e AC) :
Modulazione di forza
Non a contatto (AC)
AC=dinamico(la punta vien messa
in oscillazione),
DC=statico(nessuna oscillazione
esterna sulla punta)

10. Nanoindentazione
Usando una punta di diamante
si può indentare una
foglio metallico
superficie e immediatamente
visualizzare l’indentazione.
Usando cantilever per
indentazione, è possibile
indentare diversi campioni con
Punta di
la stessa forza per confrontare
diamante
le proprietà di durezza.
Indentazioni su due
diversi film di carbonio
diamond-like usando tre
diverse forze (23, 34,
and 45μN) con quattro
incisioni per ogni forza
200nm
per confrontare la
diversità di durezza.
Le profondità di indentazione sono
maggiori per il film più soffice (destra).

11. Scratch test

12. SFM: Funzionalizzazione punta

13. ChFM (Chemical Force Microscopy )
La punta può essere funzionalizzata con una data specie chimica
(‘azzurro’) e scansionata sul campione; si misura il segnale LFM: una
forte adesione dà luogo a un contrasto luminoso, permettendo di
mappare il legame chimico (riconoscimento) fra le specie sulla punta e
quelle sul campione. Una seconda punta funzionalizzata in modo diverso
‘blu’ viene usata per ottenere l’immagine della stessa superficie.

14. Spettroscopia di forza ANDATA : campione e punta si
avvicinano
• A: punta e campione non a
contatto, nessuna interazione,
δ1=0 G.
A.
cantilever non deflesso, forza nulla
(F=0)
• B/C: l’interazione attrattiva spinge
la punta sulla superficie e la punta
va a contatto, instabilità meccanica
del cantilever
B. • D: contatto, assenza di
F. indentazione, punta e campione si
δ2<0 muovono insieme (Ds/Dz=1)
RITORNO : campione e punta si
allontanano
• D: contatto repulsivo, la punta si
δ3<0 flette in su
E.
• E: forza attrattiva (adesione)
C.
mantiene la punta attaccata alla
superficie, la punta si flette in giù
• F: la punta si ritrae dalla
superficie, instabilità
del cantilever
• G: come nella regione A
δ4>0
D. D. FEEDBACK INATTIVO

15. Curva forza-distanza
Deformazione elastica
a carico zero
Indentazione plastica
a carico zero Area racchiusa =
lavoro della forza di adesione

16. Spettri di forza del DNA
Misura della forza di legame fra
coppie di oligonucleotidi del DNA:
Coppie non
complementari
Due coppie
complementari
Coppia
complementare

17. Allungamento del DNA
Un estremo di una elica di DNA viene
attaccata alla punta mentre l’altro estremo
è attaccato alla superficie del campione
usando tioli.
Allungamento del DNA

18. Identificazione del DNA
Le basi A e G del DNA sono
attaccati a
cantilever adiacenti.
Quando le coppie di basi T o C
vengono aggiunte alla soluzione
si misura la deflessione.
Ibridazione selettiva