Principio di funzionamento della microscopia a scansione di sonda

Rubrica: Strumenti e attrezzature

Titolo o argomento: I mezzi per studiare morfologia e proprietà dei corpi solidi
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Che cos’è la Microscopia a scansione di sonda?
Principio di funzionamento

Come introdotto nel precedente articolo di questa rubrica, la microscopia a scansione di sonda (Scanning Probe Microscopy o, semplicemente, SPM) investiga microstrutture superficiali, e le relative proprietà locali, mediante una speciale sonda appuntita a forma di ago. La porzione di ago utilizzata nelle analisi ha dimensioni pari a soli 10 nanometri. La distanza tra punta e campione (che non si toccano mai) è solitamente compresa tra 0,1 e 10 nanometri. A seconda del tipo di SPM vi sono diverse modalità di interazione tra punta e campione utili per generare indirettamente una mappa tridimensionale della superficie analizzata.

Si sfrutta ad esempio la corrente elettrica, più precisamente l’effetto tunnel, nei microscopi di tipo STM (microscopi a effetto tunnel), così come si sfruttano le forze di van der Waals (forze di tipo attrattivo e repulsivo a livello atomico) nei microscopi di tipo AFM (microscopi a forza atomica). Ma si può far perno anche su forze di tipo magnetico, forze elettriche e persino fenomeni ottici, al fine di ottenere indirettamente la scansione di una superficie a livello atomico.

In ognuno dei casi citati lo scopo è quello di tenere sempre costante la distanza tra la sonda ed il campione, ovviamente questo non è direttamente possibile in quanto ogni superficie, anche quella apparentemente più liscia, se ingrandita mostra delle importanti irregolarità (specie a livello atomico). Per riuscirci è necessario ricorrere a qualche stratagemma, lo stesso che poi permette di mappare la topografia superficiale.

Ora se utilizziamo un principio fisico (corrente elettrica, forze atomiche, forze magnetiche, forze elettriche, fenomeni ottici) possiamo sapere che ad una precisa distanza della sonda dal campione l’entità del tale fenomeno fisico ha un preciso valore corrispondente (che nel nostro esempio chiameremo parametro “P” – vedi l’immagine in basso). Ovviamente vi è una dipendenza univoca tra il parametro “P” e la distanza “z” che intercorre tra sonda e campione. A questo punto un sistema, detto di retroazione “FS”, si occupa di mantenere costante la distanza punta-campione semplicemente controllando le variazioni del parametro “P” al fine di apportare correzioni alla distanza sonda-campione e riportarla quasi istantaneamente al valore “P0” impostato dall’operatore. Affinché ciò sia possibile il segnale che interpreta lo scostamento dal parametro “P” (ΔP = P-Po) viene amplificato ed inviato ad un trasduttore piezoelettrico “PT” incaricato di effettuare il controllo. Nel caso in cui lo scostamento dal parametro “P” sia maggiore di 0,01 Å (dove Å significa Ångström ovvero 1×10-10 m) il trasduttore riporta la distanza al valore predefinito (che corrisponde ovviamente ad un ΔP nullo, ovvero segnale differenziale nullo).

In questo archibugio risiede il trucco per il rilievo topografico della microstruttura superficiale presa in esame. Sono infatti tutti i valori degli scostamenti da “P0“, una volta memorizzati, a fornire i dati per tracciare al computer una mappa fedele della superficie (immagine topografica). Oltre alla analisi topografica della superficie i microscopi a scansione permettono analisi di altre proprietà (meccaniche, elettriche, magnetiche, ottiche) fondamentali per chi opera nei più disparati settori correlati alla fisica delle superfici.

Continua…
Si ringrazia…

…per i preziosi spunti, la disponibilità ed il materiale di studio fornito il Prof. Andrea Di Donato e l’Ing. Marco Verducci del dipartimento di Ingegneria Biomedica, Elettronica e delle Telecomunicazioni dell’Università Politecnica delle Marche.

Unità di misura e conversioni

1 nm = 1 x 10-6 mm ovvero 0,000001 mm (milionesima parte del millimetro)
1 nm = 1 x 10-9 m ovvero 0,000000001 m (miliardesima parte del metro)

1 Å = 0,1 nm = 1 x 10-7 mm ovvero 0,0000001 mm (decimilionesima parte del mm)
1 Å = 1 x 10-10 m ovvero 0,0000000001 m (decimiliardesima parte del metro)

0,01 Å = 0,001 nm = 1 x 10-9 mm ovvero 0,000000001 mm (miliardesima parte del mm)
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Schema microscopia a scansione di sonda SPM

Schema logico di funzionamento della microscopia a scansione di sonda SPM.
Immagine tratta dalle dispense universitarie.