Alcuni tipi di SPM
Si possono realizzare numerosi “tipi” di SPM in funzione del tipo di sonda e di proprietà fisica sondata
Introduzione: Scanning Probe Microscopy (SPM)
Scanning: scanner piezoelettrici
Probe: punta in grado di sondare proprietàlocali
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 unascansione a rastrello e si possono ricostruire una (o più) mappe
Preparazione delle punte STM ed artefatti topografici
In genere, le punte sono fili metalliciappuntiti tramite etching elettrochimico
La geometria della punta puòfacilmente indurre artefattitopografici
Modi di operazione dell’STM
Feedback loop necessario permantenere costante la corrente ditunnel
Vantaggi e limiti dell’STM
Esempio di applicazione a campioni biologici
Possibilità di risolvere spazialmente ladistribuzione elettronica legata adifferenti atomi, cioè di “vedere” gliatomi
Virtualmente, nessuna necessità dipreparazione dei campioni e possibilità dioperare in aria
Non si applica facilmente a materialicon scarse proprietà di conduzione
Immagini STM di DNA nel vuoto
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
Elettrodeposizione locale
Pulse Voltage
Nano-ossidazione
La larghezza di riga è una f(umidità): sinistra=61%, destra=14%
Pattern disegnato con SiO2 su Si, per ossidazione locale, usando un nanotubocome punta conduttrice di un AFM.
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.
The Millipede
Tecnica termomeccanicaper 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
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 edimaging con le stessetecniche
Corrente di tunnelingcostante: si alza la punta
La punta viene abbassata sull’atomo e lo sposta
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.
Manipolazione laterale e ricostruzione substrato
Possibilità dimanipolare atomi delsubstrato o di filmmolecolari
Immagine STM di un monostrato di molecole HB-DC sulla superficie Cu(100)
Immagine STM che mostra lo spostamento di un 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 piùalta (di 0.26 nm) si osserva nuovamente la simmetria a sei lobi (molecola ferma b)
Manipolazione verticale
Molecole (o atomi) “sollevati” e “riappoggiati” tramite variazioni dellacorrente di tunneling
Punta pulita: le molecole adsorbite appaiono come depressioni.
Dopo il trasferimento delle molecole alla punta le molecole appaiono sporgenti (contrasto chimico).
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’STMImmagini STM acquisite in successione ogni 8 s.
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
Nanomodificazioni con STM
Reazionielettrochimiche“controllate”localmente da STM
“Dip pen” con AFM
Ulteriore possibilità degli SPM:
Uso di punte funzionalizzate con gruppimolecolari
Modificazioni superficiali (locali) di substratimolecolari
Nanoscrittura tramite nano-funzionalizzazione
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 Feynmannscritto con un nanoplotter DPN.
Dip-pen nanolithography
Alcune possibili applicazioni di DPN.