Microscopía de fuerza atómica para el análisis de materiales
Resumen
La microscopía de fuerza atómica es una técnica importante en el análisis de la superficie de materiales, nos permite construir una imagen en 3D de la zona de estudio. La técnica es utilizada para estudiar las características morfológicas de objetos de bajas dimensiones (desde decenas de nanómetros hasta algunos cientos de micrómetros). Además, el análisis mediante la microscopía de fuera atómica nos permite obtener información de las propiedades mecánicas y eléctricas de la muestras que se estudian.
Palabras clave: Ciencia de materiales; superficies; morfología
Abstract
Atomic force microscopy its an important characterization technique in surface science analysis, it allows the construction of 3D images of the selected surfaces under investigation. The technique is widely employed for the study of the morphological characteristics of low dimension objects (ranging between few nanometers up to few hundred micrometers). Besides, the analysis by atomic force microscopy permit the collection of the mechanical and electrical properties of the studied samples.
Keywords: Material science; surfaces; morphology
Se puede considerar a la microscopía de fuerza atómica (Atomic Force Microscopy: AFM) como los ojos y dedos de la nanotecnología (I. Horcas, 2007). La técnica fue inventada en 1986 por Gerd Binnig, Calvin F. Quate and Christopher Herber (G. Binnig, 1986). El principio de funcionamiento consiste en medir las fuerzas de interacción entre la superficie de la muestra y una punta afilada que se encuentra en un extremo de un cantiléver elástico para crear una imagen del relieve superficial (V.L. Mironov, 2004). Esta idea se ilustra en la Fig. 1 (a), donde se muestran los elementos básicos de la microscopía de fuerza atómica: punta, cantiléver, fotodetector y láser.
Fig. 1.- Configuración elemental de AFM. (a) Cantiléver, punta, láser y fotodetector. (b) Fotodetector de cuatro segmentos para registrar los movimientos horizontales y laterales de la punta.
La fuerza aplicada por la superficie a la punta provoca el doblamiento del cantiléver, esta medida de deflexión del cantiléver permite evaluar las fuerzas de Van Der Waals entre la punta y la superficie. Para distancias largas entre la punta y la superficie, la fuerza que predomina es de atracción y a distancias pequeñas, predominan las fuerzas de repulsión, aunque evidentemente la interacción tiene un carácter mucho más complejo (V.L. Mironov, 2004).
El sistema óptico está alineado de manera que un láser incide en la punta y se refleja, generando una señal que es dirigida hacia el centro de un fotodetector de cuatro segmentos, donde las deflexiones laterales y horizontales del cantiléver son detectadas, esto se ejemplifica en la Fig. 1 (b), (H. Xie, 2012).
La microscopía de fuerza atómica tiene tres modos de operación: modo de no contacto, modo de contacto y modo de semicontacto o "tapping" (N. Jalili, 2004). De la interacción entre la punta y la muestra diferentes propiedades del material pueden ser obtenidas (I. Horcas, 2007). El modo de contacto permite extraer las propiedades mecánicas de la muestra por medio de las deflexiones laterales de la punta, así como también otras fuerzas. Las propiedades eléctricas y magnéticas de la muestra pueden ser medidas en el modo de no contacto utilizando un doble paso, es decir, realizando un doble escaneo de la superficie sobre la misma área. Para esto, es necesario poner en oscilación al cantiléver en su frecuencia natural de oscilación y realizar el escaneo en el modo de no contacto. Sin embargo las oscilaciones del cantilever pueden ocasionar que la punta establezca contacto con la superficie que se estudia. Por lo tanto, el modo tapping es una combinación de los modos contacto y no contacto.
En la Fig. 2 se muestra el diagrama esquemático de la naturaleza de operación de los tres modos. Cuando la distancia entre los átomos de la punta y los átomos de la superficie es grande, se generan fuerzas débiles de atracción entre la punta y la muestra. Al reducir la distancia los átomos se encuentran más cercanos, entonces, las fuerzas de atracción incrementan hasta que los átomos se encuentran tan cercanos entre sí, de manera que las nubes de electrones comienzan a repelerse electrostáticamente. La interacción se vuelve cero cuando la distancia entre los átomos alcanza algunos Angstroms y se vuelve totalmente repulsiva cuando todos los átomos están en contacto (N. Jalili, 2004; W. Melitz, 2011).
Fig. 2.- Gráfica de fuerza vs distancia entre la punta y la superficie de la muestra. Se muestran las fuerzas de tracción o repulsión que predominan en cada uno de los modos de operación de AFM.
La técnica nos permite construir imágenes de la superficie que se estudia, por lo que en primera instancia podemos conocer la morfología, además de las propiedades mecánicas como viscocidad, elasticidad, etc., además de las propiedades eléctricas como la distribución de potencial superficial.
La microscopía de fuerza atómica se utiliza para el estudio de cosas pequeñas, con dimensiones en el rango desde algunas decenas de nanómetros hasta algunos cientos de micrómetros.
BIBLIOGRAFIA
G. Binnig, C.F. Quate, C. Gerber, Atomic Force Microscope, Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 930–933. doi:10.1103/PhysRevLett.56.930.
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W. Melitz, J. Shen, A.C. Kummel, S. Lee, Kelvin probe force microscopy and its application, Surf. Sci. Rep. 66 (2011) 1–27. doi:10.1016/j.surfrep.2010.10.001.
[a] Sección Electrónica del Estado Sólido, Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV-IPN, Av. IPN n. 2508, Col. San Pedro Zacatenco, D. F. C.P. 07360, Mexico. ghernandez@cinvestav.mx
[b] Escuela Superior de Tepeji, Ingeniería Industrial, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Avenida del Maestro No.41, colonia Noxtongo 2ª Sección, Tepeji del Río C.P. 42855. krishnakarthik.tv@gmail.com