super tips Si distinguono due tipi di punte: rettangolari triangolari adatte per misure in contatto maggiore rigidità per misure dinamiche

super tips

Si distinguono due tipi di punte:

 rettangolari

 triangolari

• Il raggio di curvatura r determina la risoluzione laterale su una superficie a bassa corrugazione.

• Il semiangolo θ rappresenta il maggiore angolo di inclinazione di una parete che una punta riconosce 10° < θ < 45°.

• L’altezza h determina la capacità di sondare strutture profonde limitata dalla massima estensione verticale dello scanner (  10 μm)

PUNTE per

AFM

Contact-mode CAMPIONE DI RIFERIMENTO: sporgenze cilindriche di

zaffiro rigido.

Indagine sistematica e quantitativa sugli artefatti dipendenti dalla geometria della punta e sull'effetto convoluzione punta-campione per due punte piramidali e una super-tip (nell’articolo ne considera 4).

Shen et al., APL 422 (2017) 482

Tapping-mode

super sharp whisker tip

Artefatti nelle immagini sono l'effetto di convoluzione punta-campione sono correlati all'inclinazione effettiva del cantilever, alla geometria della punta e ai contatti tra i piani/bordi della punta e il cilindro (campione).

Immagini prive di artefatti possono essere ottenute solo a condizione che tutti i piani e i bordi della punta di lavoro siano più corti dei fianchi del cilindro (campione).

Notare che la dilatazione non è la convoluzione, poiché la convoluzione è un processo matematico lineare e il processo di dilatazione, mediante il quale un'immagine viene creata dall'interazione tra punta e campione non è lineare.

Scansioni LFM su un array di nanoparticelle di W nanoparticles su Au (15 μm x 15 μm).

(a)–(c) Immagini topografiche a diverse F

(d)–(f ) Immagini LFM ottenute in scansione da sx a dx

Lateral Force Microscopy (LFM)

La forza laterale applicata per stimare la forza di adesione al substrato di nanoparticelle.

MODULAZIONE DI FREQUENZA: il demodulatore di frequenza misura lo spostamento della frequenza mantenendolo costante e regolando il piezo z.

MODULAZIONE DI AMPIEZZA: il lock-in misura l'ampiezza e la risposta in fase del cantilever e l'ampiezza dell’oscillazione viene mantenuta COSTANTE regolando il piezo z.

METODI DINAMICI

Per rivelare variazioni in ampiezza e fase delle oscillazioni della leva in modalità non contact è richiesta una sensibilità molto elevata e una notevole stabilità nell’elettronica di controreazione.

In pratica si usa più spesso la modalità detta "semi-contact" (“contatto intermittente” o anche

"tapping mode”).

In questa tecnica le oscillazioni forzate della leva vengono eccitate in prossimità della frequenza di risonanza con grande ampiezza (circa 10–100 nanometri). La leva in prossimità della superficie, durante la semioscillazione inferiore entra in contatto con la superficie del campione (ovvero entra nella regione delle forze repulsive)

Durante la scansione si registrano le variazioni di ampiezza e di fase.

La forza di interazione consiste nell’attrazione di van der Waals sommata alla forza elastica che si aggiunge durante il contatto.

Tapping mode

Si osserva una variazione di sfasamento dovuta al gradiente e proporzionale al gradiente stesso:

questo effetto viene sfruttato per ottenere immagini

AFM a contrasto di fase.

SEM HRTEM

Contact resonance atomic force microscopy (CR-AFM) e friction AFM

L’esperimento dimostra come la microscopia AFM a risonanza di contatto (CR-AFM) può essere utilizzata per determinare con precisione i moduli elastici radiali e tangenziali di nanofili ZnO con diametri inferiori a 150 nm.

Si cantilevers con punta di Si(100), costante k= 8 - 12 N/m

Il metodo CR-AFM utilizza un amplificatore lock-in per monitorare le oscillazioni indotte sulla cantilever e per raccogliere il segnale dal fotodiodo.

Forza di carico applicata 250 nN mantenuta costante durante le misure e di intensità minore della forza di adesione dei NW al substrato.

I NW sono disperse in soluzione di etanolo e depositati su Si(111).

Il modulo di indentazione radiale del singolo NW è determinato dalla variazione della frequenza di risonanza che si verifica quando la punta viene portata a contatto con il NW. Ciò è dovuto alla variazione

locale della geometria del contatto

e delle proprietà elastiche dei materiali coinvolti.

La misura viene acquisita su vari punti del NW e su NW di diametro diverso.

Per determinare il modulo dello sforzo di taglio dei NW sono state fatte delle misure di attrito con la punta AFM in contatto e in scansione lungo il NW a velocità di 10 nm/s applicando una forza normale costante di 250 nN.

In questo regime, la variazione della forza laterale è proporzionale al segnale di tensione laterale V proveniente dal fotodiodo ed è funzione dello spostamento lungo i NW.

Modulo dello sforzo di taglio

Si tiene conto anche della geometria della punta e l’immgine viene corretta con un fit per avere una migliore stima del diametro dei NW analizzati.

TIP-SAMPLE CONVOLUTION

Calcoli teorici indicano che cantilever più rigide possono

garantire risoluzione

subnanometrica:

1) miglioramento del rapporto segnale-rumore

2) attenuazione delle forze a lungo raggio

3) scansione stabile a distanze di punta del campione molto ridotte.

AFM Si(111)‐(7×7). Parametri: k = 1800 N/m; A = 0.8 nm;

f₀= 17 kHz;f = ‐160 Hz, UHV RT. Q= 4000.

Si vede un difetto e gli adatomi di Si, che dovrebbero essere sfericamente simmetrici, mostrano dettagli subatomici che sono interpretati come orbitali nell'atomo della punta.

Si(111) 7x7

FM-AFM

in UHV su Si(111) a T ambiente

Si (111) 7x7

(-1 V, 0.1 nA) stati vuoti

stati pieni (+ 1 V, 0.1 nA)

2.7 nm

Immagine AFM mostra una risoluzione maggiore rispetto all’STM??

Secondo la "formula Stoll", una stima teorica della corrugazione verticale e, quindi, della risoluzione laterale delle immagini STM, due parametri fisici sono cruciali per l'elevata risoluzione spaziale dell'STM:

(i) la lunghezza di decadimento molto breve del corrente di tunneling e (ii) la piccola distanza di punta del campione.

Per l’ AFM dinamico ci sono tre probabili ragioni :

1) la distanza minima tra punta e campione può essere molto più piccola rispetto a STM senza distruggere la punta perché le forze di taglio che agiscono sull'atomo anteriore durante la scansione sono molto più piccole nella fase di oscillazione in cui la punta è lontana dal campione.

2) quando in STM si utilizzano grandi tensioni di polarizzazioen, più stati possono contribuire alla corrente di tunneling

3) le forze del punta-campione hanno anche componenti repulsive con una lunghezza di decadimento molto breve.

Sono state utilizzate due modalità 1) topografica e 2) altezza costante. Nella modalità topografica, la distanza minima tra punta e campione è controllata da un feedback-loop per mantenere uno spostamento di frequenza costante.

Lo spostamento del campione viene registrato e utilizzato produrre una mappa topografica della superficie.

2) Nella modalità altezza costante, viene scansionato un piano parallelo alla superficie (determinato in modalità topografica) senza feedback. Lo spostamento di frequenza risultante viene registrato e usato per produrre un'immagine della superficie.

AFM per rivelare e misurare forze a corto raggio che si stabiliscono durante la formazione di un legame chimico tra la punta e gli atomi di superficie e che dipendono dall'identità chimica degli atomi coinvolti.

La misura delle forze chimiche a corto raggio dipende dalla punta ma può essere superata attraverso una procedura di normalizzazione.

Questo consente di utilizzare le misurazioni della forza chimica come base per il riconoscimento atomico anche a temperatura ambiente.

Sistema studiato: lega costituita da silicio, stagno e piombo, che presentano proprietà chimiche molto simili e posizione identica della superficie preferenze che rendono qualsiasi tentativo di discriminazione basato sulla topografia misurazioni impossibili.

IDENTIFICAZIONE CHIMICA

Sugimoto et al., Nature (2007)

RT in modalità di modulazione della frquenza. Il cantilever è messo in oscillazione alla 1 frequenza di risonanza mantenendo l’ampiezza costante.

Stagno e Piombo depositati su superficie di Silicio.

Durante l'imaging e per ogni misurazione spettroscopica, l'interazione elettrostatica a lungo raggio è stata minimizzata compensando la differenza di potenziale contatto superficie-punta.

Topografia AFM di uno strato atomico singolo di Sn e Pb un substrato di Si (111). Su queste superfici, una piccola concentrazione di sostituzione di difetti Si. Le frecce verdi indicano le posizioni atomiche in cui sono state acquisite le curve di forza.

Sn

Pb

4.3 nm x 4.3 nm

Curve di forza Modello

Il microscopio a forza magnetica (MFM) è stato inventato da Y. Martin e H.K. Wickramasinghe nel 1987. Si tratta di un AFM dotato di una sonda con punta ricoperta da un film di materiale magnetico (es. FePt, CoCr) M (r)

Punta ricoperta Punta modificata

con FIB

Le punte MFM sono spesso magnetizzate lungo l'asse z direzione della punta che è perpendicolare alla superficie del campione. Solo la componente z di magnetizzazione nel campione magnetico può essere

rilevata. Nelle immagini MFM,

le transizioni magnetiche appaiono come scure o

luminose, corrispondenti a

gradiente di forza attrattiva o repulsiva, rispettivamente.

Modello semplificato per descrivere il tipo di misura.

punta momento di dipolo magnetico m interagisce con il campo H del campione

) H m (

W 

 



 f      ( W )

H m M   





e. potenziale forza momento

Il microscopio a forza magnetica con MFM ad alta risoluzione spaziale è un potente strumento per osservare localmente la distribuzione della magnetizzazione e della magnetizzazione inversa.

La preparazione del campione per la misura è relativamente semplice.

Se necessario si può applicare un campo magnetico esterno per osservare i cambiamenti della struttura del dominio magnetico direttamente variando il campo.

Nella MFM l’interazione magnetica punta-campione può essere studiata con una tecnica statica oppure con leva oscillante.

Tecnica statica: se il campione non è molto strutturato durante la scansione la punta

si trova ad una distanza h=cost sopra il campione. Il valore della flessione della leva

è memorizzato come immagine MFM F(x, y) e fa una mappa della distribuzione della

Se il campione è strutturato si usa la tecnica della doppia scansione: ogni linea è scansionata una

prima volta registrando il profilo in modalità “contatto” o “semi-contatto”. Poi la punta è

spostata a distanza h dalla superficie e si ripete la scansione. Il valore della distanza h deve

essere sufficientemente grande da rendere trascurabile l’interazione di van der Waals rispetto

all’interazione magnetica. Durante la seconda scansione la sonda si muove seguendo una

traiettoria che ripete il profilo della superficie precedentemente memorizzato. Dato che la

distanza punta-campione in ogni punto è costante, le variazioni di flessione della leva sono

dovute ad eterogeneità locale delle forze magnetiche. Il risultato è una immagine MFM come

matrice F

(x,y), che descrive la distribuzione delle interazioni magnetiche punta-campione.

Usando una leva oscillante in MFM si ottiene maggiore sensibilità. La presenza di un gradiente di forza produce uno spostamento della frequenza di risonanza e una variazione di fase nell’oscillazione della leva.

Questo effetto può essere usato per ottenere informazioni sulla distribuzione della magnetizzazione sulla superficie del campione. Nel caso di interazione magnetica il gradiente della forza è:

Leva oscillante

Si usa la tecnica a doppia scansione. La punta viene eccitata ad una frequenza ω prossima ad

una risonanza. Durante la prima scansione in “semi-contatto” si registra la topografia, e

nella seconda scansione la punta segue una traiettoria che ripete la topografia ad una

distanza h, scelta dall’operatore.

CD ROM

topografia contrasto

di fase

contrasto di ampiezza

metodo statico

(3.5 µm x 3.5 µm) domain pattern in a Co-Ni/Pt Multilayer

Studio dei domini intrinseci di un materiale: Studio della relazione tra i paramentri di crescita e quelli magnetici come la dimensione e la forma dei domini per migliorare le prestazioni dei materiali multistrato magneto-ottici.

Osservazione dei bit registrati in direzione verticale su un materiali costituito da strati di Co-Cr-Ta. Per valutare le prestazioni di registrazione dei materiali magnetici si opera una ‘rilettura’ di quanto registrato cioè del bit magnetico

Immagine magnetica degli array di nanodot FePt e disegno schematico che illustra il meccanismo di contrasto di MFM. La magnetizzazione dei punti da scuro a luminoso sotto campo magnetico orientato in piano.

MFM applicando un campo H esterno

MFM applicando un campo H esterno

Immagine MFM di una matrice di nanoparticelle magnetiche, ottenute mediante laser annealing interferenziale in film

di Fe-Cr (8 m x 8 m) Isolatore magneto-ottico. La distanza dal campione durante l’ acquisizione è di 200 nm per non perturbare i domini sottostanti. (www.di.com)

80 m x 80 m

Schema di diverse configurazioni di domini

magnetici AFM

MFM AFM

MFM

Co-C nanodots diametro 250 nm pareti del dominio a 180°

In EFM si usano le interazioni punta-campione di tipo elettrico per studiare le proprietà locali della superficie. Si utilizza una punta ricoperta da un sottile strato conduttore.

Se la superficie del campione è un semiconduttore, la carica indotta alla superficie produce una distribuzione di potenziale φ(x, y). La differenza di potenziale tra punta e campione è quindi:

V =V₀ +V₁ sin(ω t ) − (x, y)

l’energia immagazzinata vale : E = ½CV ²

Si applica una tensione costante V₀ ed un segnale sinusoidale:

V~ = V₁sin(ωt)

V~

V₀

La forza elettrica tra punta e campione può essere scritta come: F = −grad (E)

e in particolare la componente lungo Z della forza elettrica vale:

F

= −∂E/∂z = − 1/2V

∂C/∂z

= − ½[V

− ϕ( x, y) +V

⋅ sin(ω t )]

∂C/∂z

utilizzando sin

(ωt ) =½ [1− cos(2ωt )], può essere scritta:

F

= − ½{ [V

− ϕ( x, y)]

+ 2[V

− ϕ( x, y)] V

sin(ωt ) + ½V

[1− cos

(ωt )]} ∂C/∂z che può essere divisa in tre contributi:

costante

funzione di  F

(=0) = − ½{[V

− ϕ( x, y)]

+ ½V

} ∂C/∂z

F

() = − {[V

− ϕ( x, y)] V

sin(ωt )} ∂C/∂z

Dato che il valore di ∂C/∂z dipende dalla distanza punta-campione, in SCM si usa la tecnica della “doppia scansione”. Per ogni linea di scansione si usa la seguente procedura. Si esegue una prima scansione con la leva, eccitata ad una frequenza prossima ad una risonanza ω₀ e si memorizza la topografia in modo “semi- contatto”.

Poi la sonda viene allontanata dalla superficie alla distanza h, e si applica un segnale (alla frequenza ω = ω₀) tra punta e campione e si ripete la scansione della linea. Durante la seconda scansione la sonda passa sulla superficie seguendo una traiettoria che ripete la topografia precedentemente memorizzata. In questo modo, dato che la distanza h tra punta e campione resta costante, le variazioni di ampiezza di oscillazione alla frequenza 2ω saranno dovute a variazioni di capacità punta-campione (ovvero a variazioni locali delle proprietà dielettriche del campione).

La componente della modulazione di ampiezza a frequenza 2ω può essere rivelata mediante un lock-in pilotato da un segnale sincrono a frequenza 2ω. L’immagine EFM così ottenuta è la matrice C‘_z(x,y) che descrive le proprietà dielettriche locali del campione.

Set-up per spettroscopia capacitiva (b) Area effettiva A_eff nel grafene.

Due caratteristiche C-Vg misurate con la punta a contatto con SiO₂ nudo (c) e con la punta su grafene (d).

(e) Area effettiva A_eff del condensatore al grafene rispetto al bias di gate, ottenuto dal rapporto delle curve in (d) e (c).

topografia termica

Dna

AFM in BIOLOGIA

25 m x 25 m

100nN 300nN

Bacteriorodopsina, una pompa protonica

azionata dalla luce

inserita in forma di cristalli bidimensionali (2-D nella membrana

purpurea. La struttura

della batteriorodopsina è stato risolta dalla rivelando che è costituita da sette eliche molto ravvicinate che

circondano il

retina fotoattiva.

Spettroscopia di forza a molecola singola per lo studio dell'adesione cellulare a recettori

I recettori di adesione cellulare sono espressi sulla superficie delle cellule e possono mediare il legame specifico con altre cellule e con la matrice extracellulare

AFM per rilevare forze attrattive o repulsive da curve forza-distanza. Questa modalità spettroscopica di forza di l'operazione è stata usata per studiare anche le forze deboli nella gamma di pico-Newton (100-200 pN).

Tali forze sono necessarie per ‘stirare’ le molecole biologiche e persino permettere la rottura di legami.

Per ottenere informazioni da una curva forza- distanza occorre ==> avere un giusto modello Ve ne sono molti che differiscono per:

• raggio di contatto

• forza di adesione

• deformazione del substrato

• pressione

assenza di adesione

AFM in scansione veloce per analizzare i cambiamenti conformazionali di macromolecole biologiche e interazioni intermolecolari a livello di singola molecola su una scala temporale inferiore al secondo in condizioni quasi fisiologiche.

La risoluzione atomica sulla struttura può essere raggiunta mediante cristallografia a raggi X e microscopia elettronica ad alta risoluzione (EM).

D'altra parte, il movimento in tempo reale di proteine nelle cellule può essere monitorato al microscopio a fluorescenza ma non rivela la dinamica della forma proteica stessa. L’AFM, colma il divario tra cristallografia a raggi X/EM e microscopia fluorescenza.

Si applicano significative modifiche all’apparato:

Miniaturizzazione delle punte (6 m x 2m spessore 100 nm) in questo modo la frequenza di risonanza (3.5 Mhz in aria e 1.2 Mhz in acqua) è maggiore pur avendo costante elastica simile.

(a) modalità in tapping per minimizzare il dannaggiamento del campione, (b) alta velocità di scansione grazie ad uno scanner ottimizzato e risoluzione temporale di 40 fps (c) alta risoluzione spaziale anche in liquido.

Scelta del substrato mica

La mica è il substrato nell'imaging di campioni biologici perché ha una superficie piana a livello atomico su una vasta areaed è stata usato per l'adsorbimento di campioni carichi negativamente, come gli acidi nucleici e vari complessi proteina-DNA.

Tuttavia, nell'imaging ad alta velocità delle interazioni proteina-proteina, la mica potrebbe non essere un substrato adatto, perché interazioni tra campioni e la superficie della mica ottenute per interazione

elettrostatica, non permettono il

controllo dell'orientamento della molecola sulla superficie del substrato.

Pertanto, la mica la superficie deve essere modificata in base ai campioni.

Analisi del movimento di DNA plasmidico

Movimento dinamico di ApaI su mica e poi reazione con DNA dopo 5.6 fps.

Enzimi di restrizione translocano sul DNA.

Immagini sequenziali danno un rate di translocazione di 30 bp/S per EcoRII e 80 bp/s per EcoP15I.