Che cos’è la microscopia a scansione di sonda?

Rubrica: Strumenti e attrezzature

Titolo o argomento: I mezzi per studiare morfologia e proprietà dei corpi solidi

La microscopia a scansione di sonda (Scanning Probe Microscopy o SPM) è una tecnica che permette lo studio della morfologia e delle proprietà locali dei corpi solidi. Detto più semplicemente, permette di analizzare le superfici dei materiali traendone mappe tridimensionali e preziose informazioni fisiche. Per raggiungere lo scopo essa si avvale di potenti strumenti ad alta risoluzione spaziale.

Se inizialmente si trattava di una tecnica difficilmente accessibile e considerata peculiarità di pochi centri di ricerca, oggi è ormai largamente diffusa e disponibile per la stragrande maggioranza dei ricercatori in fisica delle superfici e tecnologia dei film sottili. Tale tecnica ha dato origine allo sviluppo di nuovi metodi adottati con esiti soddisfacenti nel campo delle nanotecnologie, ovvero in quell’ambito dove si creano strutture su scala nanometrica.

Il primo microscopio a scansione di sonda fu quello ad effetto tunnel definito anche STM ovvero Scanning Tunnelling Microscopy. Frutto del genio degli scienziati svizzeri Gerd Binnig e Heinrich Rohrer (siamo nel 1981) il microscopio a scansione di sonda ad effetto tunnel è allo stesso tempo semplice ed efficace per ricavare informazioni fisiche su una superficie avvalendosi di una risoluzione spaziale spinta fino alle dimensioni atomiche.

La microscopia a scansione di sonda investiga le superfici 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 devono mai entrare in contatto) 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.

Nel caso già accennato dell’STM la modalità di interazione tra punta e campione si basa sulla corrente di tunnel tra punta metallica e campione conduttore (come vedremo in seguito, si produce una differente intensità di corrente tra gli estremi sonda-campione, ai quali è applicata una tensione, a seconda della distanza che vi intercorre; un sistema retroattivo, per riportare la distanza sonda-campione al valore predefinito, restituisce in uscita il valore di picchi e avvallamenti della superficie misurati nell’ordine dei nanometri). Tale tecnica venne riconosciuta quando permise di vedere la struttura atomica di alcune superfici tra cui, in particolare, quella del silicio monocristallino (di cui avrete già sentito parlare nel campo, ormai largamente diffuso, dei pannelli fotovoltaici). Oggi la microscopia a scansione di sonda rappresenta un settore di tecnologia e di ricerca applicata in crescente espansione.

La microscopia a scansione di sonda si avvale di diverse tecniche, ognuna delle quali fa perno su differenti principi fisici, per analizzare la morfologia delle superfici. Dopo il microscopio ad effetto tunnel (STM), infatti, nacquero rapidamente il microscopio a forza atomica (AFM), quello a forza magnetica (MFM), quello a forza elettrica (EFM) ed il microscopio ottico a scansione in campo vicino (SNOM). Ne vedremo in maniera semplificata il principio di funzionamento, l’utilità ed i campi di applicazione, nonché le principali caratteristiche distintive tipo per tipo negli articoli correlati.

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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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microscopio STM ad effetto tunnel microscopio ad effetto tunnel STM

Esempio di superficie da analizzare riprodotta virtualmente, a livello atomico,
assieme alla sonda appuntita. In evidenza l’effetto tunnel e la migrazione degli
elettroni (rappresentata dal fascio luminoso) nel momento di massima intensità,
ovvero quando la sonda raggiunge la distanza minima prevista dalla superficie.
Images created by Archimedes Exhibitions (www.archimedes-exhibitions.de) for
the Max Planck Institute of Microstructure Physics (www.mpi-halle.mpg.de)