Materiali e Sonde

I campioni utilizzati in questo lavoro sono stati due: un campione di oro ed un multistrato polimerico, costituito da strati alternati di PS (Polistirene)/PLA (Poli- acido lattico). Il primo campione è stato adoperato per la calibrazione delle sonde, mentre il secondo per la misura della risoluzione spaziale EFM.

3.2.1 Campione metallico piano

Il campione metallico, adoperato per la caratterizzazione geometrica delle sonde, è un film sottile di 50nm di oro depositato su un vetrino di 16 mm di diametro e 0.2 mm di spessore. In Figura 3.2 si riporta l’immagine topografica di tale campione, ottenuta tramite AFM.

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Figura 3.2: Immagine topografica (1x0.5)μm2 del campione di oro, ottenuta con AFM [29].

3.2.2 Multistrato PS/PLA

In questo lavoro di tesi si è utilizzato un campione test prodotto da Cyrille Sollogoub e collaboratori nel laboratorio PIMM -ENSAM di Parigi. Esso è ricavato da un multistrato, cioè un mezzo stratificato, costituito da una pila di diversi film sottili, composto da due polimeri aventi proprietà dielettriche diverse tra loro: PS (Polistirene)/PLA (poli acido lattico, spessore individuale 25μm), con spessore totale pari a 110μm. Sul campione è stata effettuata una sezione trasversale, tramite microtomia, in modo da esporre i due materiali mantenendo la simmetria traslazionale lungo l’asse z.

La stratificazione di questi multistrati avviene tramite il processo industriale di co-estrusione, basato sul concetto di assemblaggio forzato. Tale tecnica è una variante del processo di estrusione, per cui si forzano, per compressione, in contemporanea, due o più materiali a passare in mezzo ad una sagoma, detta “filiera”, che impartisce la geometria desiderata. La compressione del materiale a monte della matrice è ottenuta attraverso una vite che spinge il materiale verso la testa di estrusione. All’uscita della matrice ambo i composti sono resi flessibili, se polimeri amorfi, o fusi, se polimeri cristallini, tramite pompe di fusione in cui si raggiunge una temperatura di

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circa 225°. A questo punto, grazie ad un blocco di alimentazione, detto

feedblock, si ottiene l’assemblaggio dei due o più materiali adoperati. La

struttura stratificata finale ottenuta viene quindi processata da un singolo collettore di matrici così da ottenere multistrati planari [28].

Questo campione test presenta una spaziatura tra un polimero e l’altro dell’ordine dei μm piuttosto che dei nm, perchè in questo modo, durante la scansione della sonda sul campione, la discontinuità della grandezza misurata può essere identificata in maniera univoca, passando da uno strato all’altro, ed è possibile misurare con precisione i valori delle grandezze nella regione lontana dall’interfaccia.

I polimeri che costituiscono il campione test hanno le seguenti proprietà: • Polistirene (PS), si presenta come un solido vetroso a temperatura

ambiente, presenta una temperatura di transizione vetrosa pari a 100° ed una temperatura di fusione di 270°, la costante dielettrica relativa risulta pari a 2.3, che lo rende un buon isolante elettrico.

• Poli acido lattico (PLA), ha una temperatura di transizione vetrosa pari a 60° e quella di fusione compresa in un range di 170° e 180°, è un polimero biodegradabile e la sua costante dielettrica relativa è pari a 3.2.

In Figura 3.3 si riporta l’immagine topografica del multistrato, ottenuta tramite AFM, utilizzando una punta conduttiva. Si notano le numerose fasce diagonali che vengono prodotti dalla lama del microtomo che effettua il taglio. Inoltre, si nota una riga sottile quali verticale, che corrisponde alla regione interfacciale. Si noti che la morfologia delle superfici dai due lati dell’interfaccia non mostra particolari differenze che possano indicare che i due lati siano composti da due diversi polimeri.

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Figura 3.3: Immagine topografica (5x5)μm2 _{del multistrato PS/PLA,} ottenuta tramite AFM [29].

3.2.3 Punte conduttive

Nella Microscopia di Forza Elettrica è necessario che le sonde abbiano buone proprietà di conducibilità elettrica. Per questo si prediligono punte rivestite da materiali conduttori. In questo lavoro sono state adoperate diverse tipologie di sonde. Di seguito se ne riportano le caratteristiche nominali, fornite dai vari produttori:

• Sonda “χ” (Figura 3.4): Marca NanoSensors, modello PPP-NCLPt. sonda di Silicio rivestita da uno strato di Cromo ed uno di Platino ed Iridio5, di circa 25 nm, su ambo i lati della leva. Il raggio di curvatura dell’apice è circa 25nm, l’altezza della sonda è compresa tra 10-15μm, la frequenza di risonanza dell’ordine dei 190 kHz, la costante di forza elastica dell’ordine dei 48 N/m, la lunghezza della cantilever è di 225μm e lo spessore di 7μm.

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Figura 3.4: Immagine punta χ ottenuta con il microscopio elettronico

(SEM), dalla quale si misura il raggio di curvatura dell’apice, R~23.3nm.

• Sonda “η” (Figura 3.5): Marca MikroMasch, modello HQ:NSC16/Cr- Au, sonda di Silicio rivestita da uno strato di cromo da 20 nm e di oro da 30 nm. Il raggio di curvatura dell’apice risulta inferiore a 35nm, l’altezza è compresa tra 12-18μm, la frequenza di risonanza è dell’ordine di 190kHz, la costante elastica è dell’ordine di 45 N/m, la lunghezza della leva è pari a 225μm e lo spessore di 7μm.

Figura 3.5: Immagine della punta η ottenuta con il microscopio

elettronico (SEM), dalla quale si misura il raggio di curvatura dell’apice, R~25.8nm.

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• Sonda ξ (Figura 3.6): Marca MikroMasch, modello HQ:DPER-XSC11 (tipo D), sonda di Silicio rivestita da uno strato di 15 nm di platino. Il raggio di curvatura dell’apice risulta inferiore a 20nm, l’altezza è compresa tra 12-18μm, la frequenza di risonanza è dell’ordine di 350kHz, la costante elastica è dell’ordine di 42N/m, la lunghezza della cantilever è 100μm e lo spessore di 3μm.

Figura 3.6: Immagine della punta ξ ottenuta con il microscopio

elettronico (SEM), dalla quale si misura il raggio di curvatura dell’apice, R~23.9nm.

Figura 3.7: Immagine della punta χ ottenuta con il microscopio

elettronico (SEM). Le altre due punte (η e ξ) presentano la stessa struttura geometrica.

È stato inoltre fatto un confronto del risultato per la risoluzione se si considera molto diversa da quella delle tre sonde finora descritte

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(immagine SEM Figura 3.7). A questo scopo sono state utilizzate punte cilindriche, costituite da nano-aghi (nanoneedles), di seguito descritte.

• Sonda “b3” (vedasi Figura 3.8): Marca NaugaNeedles, modello TAR- 300. Queste punte vengono prodotte col seguente procedimento. Una sonda AFM convenzionale, rivestita da uno strato di Argento, viene posizionata su una goccia liquida di Gallio. Una porzione della cantilever viene quindi immersa all’interno della goccia, per cui l’Argento inizia a dissolversi nel Gallio. A questo punto, nel ritrarre la cantilever, in un tempo di 5s, si forma all’estremità della sonda un ago composto da Ag2Ga. Il raggio di tale ago risulta compreso in un intervallo 20-100nm,

l’altezza dell’ago è tra i 3-7μm, la frequenza di risonanza è dell’ordine di 300kHz, la costante elastica è dell’ordine di 40N/m, la lunghezza della cantilever è 125μm e lo spessore di 4μm.

Figura 3.8: Immagine punta “b3” ottenuta tramite microscopio

elettronico (SEM), dalla quale si misura il raggio dell’ago, R~100nm. Il raggio di curvatura dell’apice risulta notevolmente maggiore.

Tutte le punte, una volta calibrate, sono state adoperate per la misura della risoluzione spaziale EFM.

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