Microscopia e tecniche SPM CNR – IMIP Montelibretti, Marzo 2003

Parametri fondamentali della microscopia La proprietà fondamentale di un microscopio è la possibilità di ottenere un’immagine ingrandita di un oggetto. L’ingrandimento fornito da uno strumento ottico S è definito come il rapporto tra: ■L’angolo sotto cui si vede un oggetto senza strumento S, e ■L’angolo sotto cui si vede lo stesso oggetto con lo strumento S. 40° 10°

Parametri fondamentali della microscopia L’ingrandimento da solo non basta, è necessaria la capacità di distinguere i particolari: risoluzione

Tappe storiche fondamentali della microscopia 1590 Z. e H. Janssen producono un microscopio con due lenti senza basi teoriche 1600 Galileo e Keplero pongono le basi dell’ottica moderna 1733 Hall utilizza combinazioni di vetri flint e crown per produrre sistemi ottici privi di aberrazioni cromatiche 1886 Carl Zeiss produce lenti prive di aberrazioni sferiche e cromatiche e porta la risoluzione del microscopio ottico al limite di 0.2 mm 1930 Lebedeff realizza il microscopio a interferenza 1932 Zernicke inventa il microscopio a contrasto di fase, Ruska inventa il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) 1935 Knoll e Von Ardenne sviluppano il microscopio elettronico a scansione 1952 Nomarsky elabora il sistema del contrasto interferenziale 1957 Minsky realizza il microscopio ottico confocale 1986 Binnig e Rohrer vincono il Premio Nobel per la Fisica per l’invenzione del microscopio Tunnel a Scansione (STM, 1981) Binnig inventa il microscopio a Scansione a Forza Atomica (AFM)

Il microscopio ottico Il microscopio ottico fu studiato e realizzato da Galileo in base all’interazione della luce con la materia secondo le leggi dell’ottica geometrica: ■Il comportamento della radiazione luminosa è descritto mediante il concetto di raggio ■I raggi si propagano in linea retta entro mezzi omogenei, e subiscono riflessioni e rifrazioni all’interfaccia tra due mezzi (legge di Snell-Cartesio) Approssimazione parassiale (Gauss) valida per punti vicini all’asse ottico e per raggi poco divergenti da esso 1 / z1 + 1 / z2 = 1 / f z1 z2 Tutti i raggi uscenti dal punto P1 del semispazio sinistro convergono nel punto P2 del semispazio destro P1 P2 Una lente è caratterizzata dalla sua lunghezza focale f f

Il microscopio ottico Col microscopio ottico si possono ottenere fino a 1000 ingrandimenti. La risoluzione R del microscopio ottico è limitata dal fenomeno della diffrazione della luce, di cui non si tiene conto nell’ottica geometrica. Se una lente ha diametro D e focale f si ha: R = 1.22 l D / f Lunghezza d’onda della luce visibile: l = 0.38 ~ 0.780 mm Risoluzione massima ottenibile: R = 0.2 mm

Microscopio elettronico a scansione: TEM e SEM Col microscopio elettronico si introducon due nuovi concetti: ■ Interazione degli elettroni con la materia ■ Scansione della superficie del campione Con questo microscopio non si percepisce l’immagine tramite l’osservazione della luce riflessa dall’oggetto che si vuole osservare, perché bisogna superare i limiti dell’ottica. Invece di sfruttare l’interazione luce – materia, si sfrutta l’interazione elettroni – materia. Questo permette di sormontare i limiti della diffrazione, di cui soffrono i microscopi ottici, perché il meccanismo di formazione dell’immagine ingrandita è del tutto differente. L’immagine viene formata visualizzando su uno schermo televisivo i segnali elettrici originati da un opportuno rivelatore, che è in grado di misurare la quantità di elettroni riemessi dal campione quando esso è investito da un fascio di elettroni.

Interazione degli elettroni con la materia Un elettrone può penetrare in un materiale, se ha sufficiente energia. Questo elettrone interagisce con gli atomi e gli elettroni di cui è composto il materiale, tramite urti. Talvolta, a causa di un urto, l’elettrone (primario) può cedere una tale quantità di energia alle particelle con cui interagisce, da consentire ad alcuni degli elettroni appartenenti agli atomi del materiale di rompere i vincoli che lo legano ad esso e di muoversi. Questi elettroni (secondari) possono quindi uscire dal materiale GLI ELETTRONI SECONDARI POSSONO FORNIRE INFORMAZIONI PER COSTRUIRE UN’IMMAGINE DEL CAMPIONE. COME? ELETTRONE INCIDENTE (PRIMARIO) ELETTRONE SECONDARIO EMESSO ELETTRONE PRIMARIO RETRODIFFUSO URTO URTO E RIFLESSIONE URTO URTO URTO E LIBERAZIONE DI UN ELETTRONE SECONDARIO

Gli elettroni secondari forniscono informazione La quantità di elettroni emessi dipende dal modo con cui il fascio primario interagisce col campione. La profondità di provenienza degli elettroni secondari è dell’ordine dei 10 nm ■Gli elettroni secondari possono essere raccolti e la corrente associata può essere misurata. RIVELATORE DI ELETTRONI + – MISURATORE DI CORRENTE ELETTRONE SECONDARIO – ■La quantità di elettroni secondari emessi dipende dalle caratteristiche del materiale in esame (densità e dimensioni degli atomi) ■La quantità di elettroni secondari emessi dipende dall’orientazione della superficie di emissione Emissione  1 / Cos (inclinazione) COME SI FORMA L’IMMAGINE DELLA SUPERFICIE?

La scansione della superficie Il fascio degli elettroni primari è molto sottile (fino a 3 nm) e questo consente di avere una buona risoluzione perché gli elettroni secondari provengono solo dalla zona del campione su cui incide tale fascio. Per formare l’immagine dell’intera superficie bisogna quindi effettuare una scansione muovendo il fascio primario su righe successive fino ad aver analizzato l’intera zona di cui si intende formare l’immagine Una carica q, che si muove a velocità v in presenza di un campo magnetico B, subisce l’azione di una forza F che la fa deviare (forza di Lorentz): Al variare del campo magnetico B generato dalla lente elettromagnetica è possibile indirizzare il fascio di elettroni su diversi punti della superficie del campione LENTE ELETTROMAGNETICA FASCIO DI ELETTRONI PRIMARI SUPERFICIE DEL CAMPIONE – F = q v B B F N S v q

La scansione della superficie Se si fa corrispondere a correnti elevate punti bianchi e a correnti modeste punti neri, mettendo uno di fianco all’altro i punti colorati così ottenuti si ottiene un’immagine ingrandita del campione. Si ottiene una risoluzione molto elevata in quanto è possibile controllare finemente la posizione del punto su cui incide il fascio primario. L’ingrandimento è enorme perché è determinato dall’elaborazione elettronica dei segnali elettrici che pilotano le lenti elettromagnetiche IMMAGINE RISULTANTE ZONA AD ALTA EMISSIONE FASCIO DI ELETTRONI PRIMARI SUPERFICIE DEL CAMPIONE ZONA A BASSA EMISSIONE

Il microscopio SEM

Un esempio di immagine SEM Un comune transistor discreto per usi commerciali: 2N2222 COME È FATTO ALL’INTERNO? SILICIO ALLUMINIO STRATO PROTETTIVO E PASSIVANTE CONTATTI METALLICI (RAME)

Un esempio di immagine SEM Diamante CVD realizzato presso l’istituto IMIP del CNR di Montelibretti Notare: ■Ingrandimento molto maggiore dell’esempio precedente ■Il SEM restituisce un’immagine in toni di grigio che non corrispondono al colore reale del campione, ma che rendono conto della sua morfologia superficiale e delle sue proprietà atomiche locali

Caratteristiche e limiti del SEM ■ La risoluzione è molto elevata perché l’immagine non è più formata sfruttando l’interazione della materia con la radiazione visibile. ■ È possibile acquisire immagini dotate di una notevole profondità di campo, migliore di quella dei microscopi ottici FASCIO PRIMARIO PIANO FOCALE PIANO FUORI FUOCO ■ Bisogna analizzare il campione in alto vuoto ■ Il SEM restituisce proiezioni bidimensionali di immagini tridimensionali È POSSIBILE UTILIZZARE UNA TECNICA DI MICROSCOPIA CHE LAVORI A PRESSIONE ATMOSFERICA, RESTITUISCA IMMAGINI TRIDIMENSIONALI E SPINGA ANCORA PIÚ IN LÀ IL LIMITE DI RISOLUZIONE?

Le tecniche SPM Questo è possibile sfruttando, invece che l’interazione luce-materia, altri tipi di interazione con il campione: Microscopia SPM Scanning Probe Microscopy (Microscopia a Sonda a Scansione)

Effetto Tunnel La corrente elettrica è trasportata in generale da particelle cariche (elettroni). All’interno di materiali conduttori, come i metalli, gli elettroni hanno la possibilità di muoversi liberamente sotto l’azione di una tensione applicata. Se si hanno due conduttori ravvicinati, tra cui è imposta una tensione V, lo spazio non conduttore tra di essi costituisce una barriera per il passaggio di elettroni (corrente). SE SI ELIMINA LA BARRIERA, PASSA CORRENTE Tuttavia se la separazione tra I due conduttori è molto piccola (< 10 mm), c’è una certa probabilità che gli elettroni possano PASSARE ATTRAVERSO LA BARRIERA dando luogo a un flusso di corrente I (effetto Tunnel) CORRENTE I La probabilità di passaggio di un elettrone diminuisce esponenzialmente al crescere della separazione d tra i due conduttori (Fowler – Nordheim): I  (V2 / d2) exp(-d / V) DISTANZA d (nm)

Applicazione dell’effetto Tunnel: STM Se si mantiene costante la tensione V tra i due conduttori, ■ Aumentando la loro distanza, diminuisce la corrente I ■ Diminuendo la loro distanza, aumenta la corrente I Se si conosce come varia la corrente tra i due conduttori in funzione della loro distanza, allora misurando la corrente I si può ottenere una misura precisa della distanza. Perchè non applicare questo effetto in microscopia? Se uno dei due conduttori è una punta di dimensioni piccolissime, tenuta separata dalla superficie di un campione conduttivo, misurando la corrente circolante per effetto Tunnel si può conoscere la distanza della punta dal punto del campione immediatamente sottostante PUNTA METALLICA CAMPIONE CONDUTTIVO 1 2 Si può eseguire una scansione (in modo analogo al SEM) facendo muovere lateralmente la punta sopra il campione e misurando la corrente per ogni posizione della punta: ■ Posizione 1: piccola d, grande corrente ■ Posizione 2: grande d, piccola corrente SU QUESTO PRINCIPIO SI BASA IL MICROSCOPIO STM (SCANNING TUNNEL MICROSCOPE)

STM: punte per alta risoluzione Con la tecnica STM si possono ottenere eccezionali risoluzioni (fino al limite della risoluzione atomica!) perchè vengono utilizzate punte di dimensione ridottissima, in cui solo gli atomi terminali interagiscono col campione. Inoltre, per rilevare correttamente profili molto rugosi, è necessario che la punta sia molto affilata. Una punta per microscopia STM è caratterizzata da: ■ Raggio di curvatura estremamente piccolo ■ Grande affilatezza ■ Buona conducibilità elettrica ■ Buona stabilità chimica all’aria È abbastanza intuitivo che dei buoni candidati per la realizzazione di punte per STM siano i metalli, che infatti sono stati I primi materiali ad essere usati a questo scopo. Metalli comunemente usati per la realizzazione di punte: ■ Tungsteno ■ Oro ■ Platino – Iridio

STM: punte per alta risoluzione È possibile realizzare una punta conica affilata corrodendo elettrochimicamente un filo di tungsteno (W) Con questa tecnica si realizzano agevolmente raggi di curvatura di 80 nm Un procedimento analogo si può utilizzare per realizzare punte di platino iridio (Pt – Ir) Nell’immagine: Punta ottenuta mediante un processo di attacco elettrochimico con CaCl2 + H2O + CH3COCH3 , con raggio di curvatura di 20 nm e angolo di apertura del cono di 20°

STM: punte per alta risoluzione Le punte per STM vengono realizzate anche in oro. Si può utilizzare un procedimento di attacco elettrochimico in soluzione acquosa di KCN Nell’immagine: Punta di oro con raggio di curvatura di circa 5 nm e apertura minore di 30°

STM: punte per alta risoluzione Un nanotubo di carbonio (CNT) multiwalled, preparato mediante scarica elettrica in una atmosfera di gas, può essere fissato sull’estremità di una punta di tungsteno, facendo depositare all’interfaccia del carbonio amorfo. Il nanotubo può avere un diametro di soli 5 nm, e il raggio di curvatura della parte terminale può essere anche minore CON QUESTO TIPO DI PUNTE È POSSIBILE REALIZZARE IMMAGINI CON LA RISOLUZIONE DEL SINGOLO ATOMO! Nell’immagine: Superficie di un cristallo di silicio con orientazione (111). Si può distinguere la posizione dei singoli atomi di silicio arrangiati su simmetria esagonale

STM: il metodo di scansione Come è possibile muovere la punta del microscopio STM lateralmente con grandissima precisione? La punta del microscopio è fissata su un trasduttore piezoelettrico di posizione, realizzato con un cristallo piezoelettrico (PZT) La parola “piezoelettrico” deriva dal greco “piezen”, deformare e designa una caratteristica fisica di alcuni cristalli: Il cristallo piezoelettrico ha la proprietà di deformarsi leggermente, di una quantità ben determinata, quando gli viene applicata una tensione V . La deformazione (allungamento del cristallo) è proporzionale alla tensione applicata e può essere controllata con la precisione di pochi Angstrom. ALLUNGAMENTO PZT PUNTA TENSIONE V

Cristalli piezoelettrici Pierre Curie, insieme al fratello Paul-Jacques, intorno al 1880 scopre l’effetto piezoelettrico (diretto). L’effetto è reversibile (effetto piezoelettrico inverso)

Cristalli piezoelettrici Sebbene il più comune cristallo piezoelettrico sia il quarzo, per realizzare trasduttori di posizione piezoelettrici si usano in genere Titanati di Bario (BaTiO3) o i cosiddetti PZT (da Piombo – Zirconio – Titanio, soluzioni solide di PbZrO3 e PbTiO3). Come sono fatti e come funzionano? Esempio di struttura cristallina del Titanato di Bario: Ti 4+ Ba 2+ O 2- T > Tc : CELLA CUBICA T < Tc : CELLA TETRAGONALE

Deformazione dei cristalli piezoelettrici + + + + + + + – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – ++++ ++++ ++++ + + + + + + + – – – – – – –

Microscopio ed Elaboratore Nel microscopio STM, come del resto in molti tipi di moderni microscopi, la procedura di analisi della superficie di un campione è gestita mediante un elaboratore elettronico MEMORIA CONVERTITORE A / D CONTROLLO DELLA CONVERSIONE MEMORIZZAZIONE DELLA MAPPA DIGITALE AMPLIFICATORE ELABORATORE ELETTRONICO CONTROLLO DELLA SCANSIONE ALGORITMI DI FILTRAGGIO, DI MODIFICA E DI ANALISI DELLA MAPPA DIGITALE DELLA SUPERFICIE

Alta risoluzione verticale in STM Il microscopio STM è dotato di grande risoluzione laterale in quanto un grande sforzo tecnologico è stato perseguito per realizzare punte di scansione di dimensioni opportune. Inoltre, un controllo estremamente preciso della traslazione laterale della punta durante la scansione della superficie del campione è ottenibile sfruttando le proprietà dei materiali piezoelettrici. A fronte della grande risoluzione laterale, la microscopia STM consente di ottenere una elevata risoluzione verticale grazie alla particolare dipendenza esponenziale della corrente di Tunnel dalla separazione punta – campione. A un dato errore, relativo alla misura della corrente di tunnel, corrisponde un errore percentuale molto minore sulla corrispondente elevazione calcolata del punto del campione sottostante la punta CORRENTE DI TUNNEL DISTANZA PUNTA-SUPERFICIE

Superare i limiti dello STM Il microscopio STM è uno strumento estremamente sensibile, in grado di realizzare immagini tridimensionali con una risoluzione di pochi Ångstrom. Non necessita di particolari preparazioni del campione e può operare in condizioni ambientali di temperatura e di pressione. In partricolare, al contrario del microscopio a scansione elettronica, non necessita di lavorare in alto vuoto, perchè lo spazio che devono percorrere gli elettroni per raggiungere la punta (pochi nanometri) è brevissimo se confrontato con le corrispondenti lunghezze tipiche del microscopio SEM (decine di centimetri). La limitazione del microscopio STM consiste nel poter analizzare solo superfici di materiali elettricamente conduttori o semiconduttori: Questo è necessario perchè per sostenere l’emissione tunnel di elettroni dalla superficie del campione, al suo interno deve scorrere una corrente. È POSSIBILE CONCEPIRE UNA TECNICA DI ANALISI MICROSCOPICA CHE FORNISCA GLI STESSI VANTAGGI DELLO STM, MA CHE NON SIA LIMITATO DALLE PROPRIETÀ ELETTRONICHE DEL MATERIALE DA ANALIZZARE?

Le interazioni atomiche FORZA ATTRATTIVA DI VAN DER WAALS Se si considera una porzione di materiale globalmente neutro, cioè non carico elettricamente, si deve tenere presente che localmente, su scala atomica, sono in realtà sempre presenti dei dipoli elettrici p (addensamenti di carica positiva e negativa in posizioni diverse ma vicine) a causa di: ■ Possibili asimmetrie dei legami chimici tra gli atomi (molecole polari) p ■ Fluttuazioni della posizione degli elettroni intorno al nucleo dell’atomo (ad esempio, dovute alla temperatura) p Quando un materiale, in cui sono presenti dipoli p1 di questo tipo, viene posto in prossimità di un altro materiale, su quest’ultimo vengono indotti dei dipoli p2. L’interazione dipolo – dipolo indotto si manifesta sempre come una forza attrattiva, nota come forza di van der Waals p1 p2 DIPOLO INDOTTO DIPOLO

Le interazioni atomiche FORZA REPULSIVA ELETTRONE – ELETTRONE Sebbene due generiche porzioni di materia vengano attratte dalle forze di van der Waals, quando esse giungono a distanze estremamente piccole diventa dominante l’interazione tra gli elettroni che circondano i nuclei degli atomi. I “gusci elettronici esterni” degli atomi di ciascuno dei due materiali tendono a respingersi (chiaramente, due solidi non si compenetrano) FORZA COMPLESSIVA La forza di van der Waals e quella di repulsione elettronica sono le principali responsabili dell’interazione tra atomi e molecole sature. Se si indica con d la distanza tra due atomi saturi, l’interazione è descritta dalla Forza di Lennard – Jones: F  (dee / d)12 – (dvdw / d)6 FORZA REPULSIVA SEPARAZIONE TRA I DUE ATOMI FORZA ATTRATTIVA VAN DER WAALS ELETTRONE - ELETTRONE

Microscopio a forza atomica: AFM Una forza di tipo Lennard – Jones si instaura non solo tra due atomi isolati, ma tra due qualsiasi materiali. L’espressione di Lennard – Jones fornisce una dipendenza di una quantità fisica misurabile (forza) dalla distanza tra una sonda e un materiale, allo stesso modo in cui l’equazione di Fowler – Nordheim fornisce la dipendenza di una corrente di tunnel dalla distanza tra sonda STM e campione Dunque la distanza tra una punta e il campione sottostante può essere valutata misurando la forza agente sulla punta stessa: Questo è il principio del microscopio a forza atomica (AFM) Il microscopio AFM è strutturalmente identico a un microscopio STM, tranne per il fatto che non necessita di un passaggio di corrente tra punta e campione. La punta stessa è montata su un supporto speciale che consente di misurare la forza a cui è sottoposta. Non sussiste più il limite di dover analizzare solo campioni conduttivi

Forze agenti tra una punta e una superficie FORZA ATTRATTIVA FORZA REPULSIVA SEPARAZIONE TRA SONDA E CAMPIONE CONTATTO TRA SONDA E CAMPIONE Usualmente, le forze agenti tra una punta e una superficie sono diverse nei casi in cui la punta è in avvicinamento o in allontanamento da essa. La differenza delle misure effettuate permette di valutare le forze di adesione

Microscopio a forza atomica: AFM PUNTA AFM FORZA F SUPPORTO ELASTICO q Nel modo operativo considerato, la punta è posta molto vicino al campione, in modo che predomini la forza di repulsione tra elettroni. Microscopio a forza atomica: AFM La forza applicata al suporto elastico tramite la punta produce una deformazione del supporto, di un angolo q, che con buona approssimazione è proporzionale a F: q  F RAGGIO LASER RIVELATORE DI POSIZIONE V s s – 2q Si fa incidere un raggio laser, proveniente da una direzione fissa s, sulla parte superiore del supporto elastico La deformazione del supporto è valutabile osservando lo spostamento del raggio laser riflesso Un rivelatore di posizione genera un segnale elettrico proporzionale allo spostamento del fascio laser riflesso

AFM – modalità “altezza costante” Durante una scansione, se si mantiene il punto V a una altezza costante, le deformazioni del supporto seguono il profilo della superficie analizzata. RILIEVI SULLA SUPERFICIE DEL CAMPIONE FORZA AGENTE SULLA PUNTA DEFORMAZIONE DEL SUPPORTO SPOSTAMENTO ANGOLARE DEL RAGGIO RIFLESSO GENERAZIONE DI UNA CORRENTE CORRISPONDENTE La corrente in uscita dal rivelatore di posizione del fascio, che varia durante la scansione dipendentemente dalla forza agente sulla punta, può quindi essere utilizzata per generare un’immagine della superficie del campione, come nella microscopia tunnel. Questo metodo di acquisizione delle immagini fornisce una mappa fedele e lineare del profilo della superficie del campione fintanto che le deformazioni del supporto si mantengono piccole

AFM – modalità “forza costante” Se si fa in modo che la forza agente sulla punta sia costante durante la scansione, è possibile acquisire una mappa più fedele del profilo del campione. Mantenere costante tale forza equivale a mantenere costante la posizione del fascio riflesso (posizione ‘0’) sul rivelatore di posizione. Per fare questo è necessario muovere il punto di ancoraggio V del supporto in direzione verticale, facendogli seguire punto per punto il profilo verticale del campione. Questo può essere fatto mediante un altro traslatore piezoelettrico (PZT) che si deforma in direzione verticale. PROFILO DEL CAMPIONE AGGIUSTAMENTO PZT ‘z’ POSIZIONE DEL FASCIO RIFLESSO AGGIUSTAMENTO DEL PUNTO V IN MANIERA CHE LA POSIZIONE DEL FASCIO RIFLESSO SIA ‘0’ ‘RETROAZIONE’ A B L’immagine è formata dalla memorizzazione delle posizioni che sono state imposte al supporto della punta durante la scansione RAGGIO LASER RIVELATORE DI POSIZIONE V PZT ‘z’ CAMPIONE posizione ‘0’

AFM – la punta e il supporto elastico Materiale del supporto: silicio, o stesso materiale della punta. Lunghezza del supporto: 100 ~ 400 mm Lunghezza della punta: 2 ~ 10 mm IL SUPPORTO VIENE IN GENERE RICOPERTO DI ORO PER AUMENTARNE LA RIFLETTIVITÀ Al contrario del microscopio STM, la punta dell’AFM, che deve lavorare a contatto col campione, deve possedere particolari requisiti di durezza. I materiali maggiormente utilizzati per la realizzazione della punta sono: ■ Nitruro di silicio (Si3N4) ■ Diamante

Le punte AFM Punta in diamante per AFM realizzate depositando diamante con la tecnica HFCVD in trincee piramidali realizzate su silicio. ■ Apertura angolare della punta: 70.5° ■ Raggio di curvatura della punta: 15 nm

Le punte AFM Punta per AFM in Si3N4 cresciuto su silicio (MikroMasch). ■ Altezza tipica della punta: 20 mm ■ Apertura angolare della punta: 20° ■ Raggio di curvatura della punta: < 10 nm

Binnig e Roher Gerd Binnig e Heinrich Rohrer sono gli ideatori del microscopio STM. Vinsero il premio Nobel per la fisica nel 1986, anno in cui Binnig sviluppò il microscopio AFM.

Risoluzione atomica della microscopia SPM Immagine di un piano di grafite altamente orientata ottenuta mediante un microscopio STM. Analoga risoluzione si ottiene con il microscopio AFM. I rilievi chiari corrispondono ai singoli atomi di carbonio e sono separati da una distanza di 3.35 Å. È ben distinguibile la cella esagonale del cristallo.

Applicazioni – manipolazione di nanostrutture Il microscopio SPM (STM e AFM) ha la caratteristica di interagire col campione mediante una sonda solida, che può produrre azioni meccaniche su di esso. Questa particolarità consente di aprire nuove frontiere tecnologiche perchè dà la possibilità di manipolare singoli atomi. Nel 1990 D. M. Eigler e E. K. Schweizer produssero la scritta “IBM” utilizzando 35 atomi di Xeno su un substrato di Nichel, utilizzando un microscopio STM.

Manipolazione di atomi di Xeno COME È POSSIBILE MUOVERE GLI ATOMI? Eigler e Schweizer depositarono atomi di Xeno (che è un gas nobile e quindi non forma legami) su un substrato di Nichel. Naturalmente questi atomi erano disposti casualmente sulla superficie, mantenuta a -270°C in maniera da impedire agli atomi di Xeno di muoversi. Per spostare un atomo, la punta STM viene abbassata fino ad arrivare in prossimità di esso. Le forze di van der Waals agiscono sia tra punta-Xeno che tra Xeno-Nichel. Allorchè la punta viene spostata lateralmente (come per eseguire una scansione), l’atomo di Xeno la segue in quanto la forza di van der Waals tende a farlo rimanere in prossimità della punta. L’atomo può quindi essere posizionato arbitrariamente. PUNTA STM XENO NICHEL ATTRAZIONE XENO-PUNTA ATTRAZIONE XENO-NICHEL SPOSTAMENTO

Applicazioni – manipolazione di atomi di silicio La possibilità, offerta dal microscopio AFM, di manipolare atomi può trovare applicazione nella realizzazione di memorie ad altissima densità. Un singolo bit di informazione (1 oppure 0) può essere memorizzato in una coppia di atomi di una superficie di silicio, la cui posizione può essere modificata per mezzo della punta di un microscopio AFM.

Trattamento delle immagini Una colorazione a ‘falsi colori’ può essere adottata per la resa dell’immagine tridimensionale. Nell’immagine: Immagine AFM della superficie policristallina di un diamante HFCVD ottenuto presso il CNR-IMIP di Montelibretti L’immagine può essere sottoposta ad analisi numeriche e matematiche per evidenziare particolari caratteristiche del campione quali: ■ La rugosità ■ L’individuazione dei singoli grani ■ Le orientazioni cristallografiche

Trattamento delle immagini Nell’immagine: Immagine AFM della superficie policristallina di un diamante HFCVD ottenuto presso il CNR-IMIP di Montelibretti L’immagine può essere sottoposta ad analisi numeriche e matematiche per evidenziare particolari caratteristiche del campione quali: ■ La rugosità ■ L’individuazione dei singoli grani ■ Le orientazioni cristallografiche