Microscopie de forță atomică
Cercetător: Diana Bogdan
Cuvinte cheie: microscopie de forță atomică, AFM, caracterizarea suprafețelor, nanomateriale, nanoparticule, filme subțiri, polimeri, senzori electrochimici
Descriere
Microscopia de forță atomică (AFM) face parte din familia de tehnici de investigație a suprafețelor prin scanare cu un vârf foarte ascuțit (Scanning Probe Microscopy).
Imaginea AFM se obține monitorizând poziția unui ac (sonda de scanare) atașat unui microcantilever pe măsură ce acesta scanează suprafața probei.
Topografia AFM are rezoluție nanometrică în plan xy și subnanometrică pe direcția z și poate fi obținută în două moduri: contact și tapping (denumit în funcție de producător: AC, semicontact, contact intermitent). Prin înregistrarea înălțimii în fiecare punct de scan se obține o imagine 3D a suprafeței. În modul tapping, microcantileverul oscilează la frecvență apropiată de frecvența sa de rezonanță, amplitudinea oscilației fiind monitorizată. În timpul scanării, cantileverul vibrează astfel încât acul AFM atinge periodic suprafața probei, este evitată frecarea dintre ac și suprafață prezentă în modul contact, prevenind distrugerea probei.
Aplicații
Domenii de aplicabilitate: Ca tehnică de investigație, microscopia AFM este pretabilă oricărui tip de suprafețe. Aplicațiile sunt, practic, nelimitate, microscopia AFM fiind utilizată în toate domeniile:
- cercetare: nanotehnologie, stiințele vieții, nanoparticule, polimeri
- industrie: controlul proceselor de fabricație, analiza coroziunii, morfologia stratelor de acoperire, sticle, material ceramice, metale
- medicină și stomatologie: implante, materiale de obturație, sigilanți endodontici
- educație: nivel universitar și postuniversitar
Sisteme: nanomateriale, biomateriale, nanoparticule, polimeri și amestecuri polimerice, senzori electrochimici, metale, probe din științele vieții (celule, bacterii), dispozitive medicale (implante)
Industrii:
- Industria auto: dezvoltarea materialelor noi, controlul calității suprafețelor care necesită imagini,
analiză și măsurare la nivel de nanoscală. Industria auto dezvoltă continuu materiale avansate pentru a fi în pas cu provocările cu care se confruntă în eficientizarea automobilelor. Utilizarea nanotehnologiei poate să aducă progresele necesare în materialele utilizate în multe componente auto, de la metale la polimeri. - Controlul proceselor industriale: evaluarea suprafeței probelor pentru dezvoltarea de procese
industriale și/sau pentru controlul proceselor de fabricație. - Fotonică: măsurarea 3D a structurilor. Imaginile AFM sunt independente de proprietățile optice și nu necesită acoperirea probelor cu strat conductor, oferă contrast excelent pentru probe optic netede și este nedistructivă. Pot fi analizate suprafețe de sticlă, rețele de difracție etc.
- Medicină, biologie:microscopia de forță atomică furnizează imagini la nanoscală pentru biomateriale, suprafețe celulare, implante etc.
Infrastructură
La INCDTIM Cluj-Napoca există infrastructura necesară pentru studiul suprafețelor prin AFM, în funcție de aria de investigat și de rugozitatea suprafeței probelor putând fi accesate:
1. Platforma AFM Ntegra Spectra (NT-MDT). Aria maximă de scanare 100 μm × 100 μm, zmax 10 μm. Configuraţii: directă, obiectiv 100x (NA 0.7), inversată optimizată pentru probe pe substrat transparent; Microscop Olympus IX71, obiectiv 100x cu imersie în ulei (NA 1.3). Sunt disponibile majoritatea modurilor AFM. Achiziţie de date şi procesarea imaginilor: Nova software.
2. Microscop AFM Cypher S (Asylum Research – Oxford Instruments). Aria maximă de scanare 30 μm × 30 μm, zmax 5 μm. Echipat cu videomicroscop integrat cu zoom optic controlat din software, rezoluție optică < 1 μm; NA 0.45; camera CMOS color 3 Mpx, câmp vizual 650 μm x 900 μm. Zgomotul sistemului optic de detecție a deflexiei < 7 pm (cantileverul nu este în contact cu proba); < 15 pm (cantileverul pe suprafață); zgomot Z senzor < 50 pm; zgomot senzori XY (closed loop) < 60 pm. Achiziție date și procesare AR software cu module Igor Pro dedicate SPM. Dimensiuni probe: Ømax = 2 cm, h = 0.7 cm.
Avantaje
Poate fi analizată suprafața oricărui tip de material, moale sau dur, conductor, semiconductor sau izolator, singurele cerințe sunt legate de dimensiunea eșantionului de analizat (Ømax probă 2 cm, hmax = 0.7 cm) și rugozitatea suprafeței probei (hmax 5 μm) (privită cu ochiul liber, proba apare netedă).
Complementar altor tehnici de imagistică, cum este microscopia electronică care furnizează imagini cu rezoluție înaltă însă oferă o imagine 2D a probelor analizate, microscopia AFM oferă în plus o imagine topografică 3D a suprafețelor.
Costuri estimative
Costul total al caracterizării suprafeței prin AFM implică timpul de utilizare a aparatului, manoperă și consumabile, operațiunile de preparare a probelor, procesarea datelor, analiza rezultatelor și elaborarea raportului de analiză
Efectuarea de teste preliminare 350 lei/zi (30 € consumabile)
Efectuarea de analize complexe 700 lei/zi
Rezultate: imagini topografice pentru arii maxime de 30 × 30 μm2, evidențierea morfologiei suprafeței până la scară nanometrică, evaluarea rugozității, profile ale secțiunilor prin probă, analize comparative pentru eșantioane supuse unor procese diferite, strate subțiri de acoperire etc.