1. Alcuni tipi di SPM
Si possono realizzare numerosi “tipi” di SPM in funzione del tipo di sonda e di
proprietà fisica sondata

2. Introduzione: Scanning Probe Microscopy (SPM)
Scanning: scanner piezoelettrici
Probe: punta in grado di sondare proprietà
locali
Microscopy: risoluzione sub-micrometrica
(+ sistema per controllare la distanza
punta/campione + elettronica per il
funzionamento dello strumento)
Sviluppato a partire da anni ’80 grazie alla
disponibilità di:
Scanner piezoelettrici con risoluzione
sub-nm;
Sonde di dimensioni sub-nm
Diverse proprietà fisiche locali possono essere misurate punto per punto in una
scansione a rastrello e si possono ricostruire una (o più) mappe

3. Preparazione delle punte STM ed artefatti topografici
In genere, le punte sono fili metallici
appuntiti tramite etching elettrochimico
La geometria della punta può
facilmente indurre artefatti
topografici

4. Modi di operazione dell’STM
Feedback loop necessario per
mantenere costante la corrente di
tunnel

5. Vantaggi e limiti dell’STM
Possibilità di risolvere spazialmente la
distribuzione elettronica legata a
differenti atomi, cioè di “vedere” gli
atomi
Virtualmente, nessuna necessità di
preparazione dei campioni e possibilità di
operare in aria
Non si applica facilmente a materiali
con scarse proprietà di conduzione
Immagini STM di DNA nel vuoto
Esempio di applicazione a campioni biologici

6. Introduzione alla litografia con sonda di scansione
Patterning ad elevata risoluzione con sonde di scansione
- Patterning chimico e molecolare
- Patterning meccanico
•Scratching
•Nanoindentazione
- Riscaldamento locale
- Applicazione tensione
•Ossidazione
•Esposizione del resist agli elettroni
- Manipolazione di nanostrutture
Fattori importanti nella litografia a sonda di scansione
- Risoluzione
- Allineamento
- Affidabilità
- Resa

7. Elettrodeposizione locale

8. Pulse Voltage

10. Nano-ossidazione
La larghezza di riga è una f(umidità): sinistra=61%, destra=14%

11. Pattern disegnato con SiO2 su Si, per ossidazione locale, usando un nanotubo
come punta conduttrice di un AFM.

12. Scansioni di grandi aree: array di cantilever
•10μm x 10μm richiede solo 1 minuto
• Una scansione di 1mm2 richiede 1*104
minuti = 7 giorni
• Con 100 leve, il tempo totale è meno di 2 ore.

13. The Millipede
Tecnica
termomeccanica
per memorie ad
altissima densità di
informazione
32 x 32 AFM cantilever
Le variazioni di temperatura durante la
scansione servono per “leggere” i bit
“scritti” in precedenza

14. Introduzione: nanomanipolazione con SPM
Obiettivi generali:
Sfruttare le possibilità di controllo subnanometrico della posizione della sonda per (e.g.):
• Manipolare (la posizione) di nanoparticelle o unità elementari su superfici;
• Produrre modificazioni locali di substrati (indentazioni, reazioni chimiche, litografie,
etc.)
Nanomanipolazione ed
imaging con le stesse
tecniche
Corrente di La punta viene
tunneling abbassata
costante: si sull’atomo e lo
alza la punta sposta

15. Costruzione di molecole
Un gruppo di sei molecole (1) viene prima disordinato (2) con la punta dell’STM.
Una molecola dopo l’altra viene spinta dalla punta (2 - 5).
Si forma un anello (6) che non si troverebbe normalmente in natura.

16. Manipolazione laterale e ricostruzione substrato
Possibilità di
manipolare atomi del
substrato o di film
molecolari
Immagine STM che Immagine STM di un
mostra lo monostrato di molecole HB-
spostamento di un DC sulla superficie Cu(100)
singolo atomo di Cu
parallelamente e
perpendicolarmente
a uno “step” (100)
Con ricoprimenti inferiori ci sono dei
vuoti e le molecole in siti a simmetria
inferiore ruotano (a); spostando la
molecola in un sito a simmetria più
alta (di 0.26 nm) si osserva
nuovamente la simmetria a sei lobi
(molecola ferma b)

17. Manipolazione verticale
Punta pulita: le molecole Dopo il trasferimento delle molecole
adsorbite appaiono come alla punta le molecole appaiono
sporgenti (contrasto chimico).
depressioni.
Molecole (o atomi) “sollevati” e “riappoggiati” tramite variazioni della
corrente di tunneling

18. Nanomodificazioni con STM
Il campo elettrico creato dalla punta “eccita” difetti la cui posizione spaziale può
essere nanomanipolata
Migrazione di tre vacanze di P su una superficie GaP(110) indotte dalla punta dell’STM
Immagini STM acquisite in successione ogni 8 s.

19. Nanomodificazioni con STM
Nanomanipolazione di atomi di Xe
I campi elettrici associati con STM (soprattutto in field-emission mode)
vengono usati per indurre “reazioni” locali

20. Nanomodificazioni con STM
Reazioni
elettrochimiche
“controllate”
localmente da STM

21. “Dip pen” con AFM
Ulteriore possibilità degli SPM:
Uso di punte funzionalizzate con gruppi
molecolari
Modificazioni superficiali (locali) di substrati
molecolari
Nanoscrittura tramite nano-funzionalizzazione

22. Dip-pen nanolithography
A) Pattern con risoluzione ultra elevata di acido mercaptoesanoico su
superficie d’oro. B) Nanostruttura multicomponenti generata tramite DPN
con due pattern di alcantioli allineati. C) Discorso di Richard Feynmann
scritto con un nanoplotter DPN.

23. Alcune possibili applicazioni di DPN.