Esperimenti

Microscopia a scansione di sonda con ultrasuoni (ufm): nanomeccanica e analisi sotto-superficie

Microscopia a Scansione di Sonda ad Ultrasuoni: Nanomeccanica e Indagine Sottosuperficie
La Microscopia a Scansione di Sonda a Forza Atomica (AFM) fu introdotta circa 30 anni fa per investigare le superfici solide con risoluzione nanometrica [1]. Si cominciò con la caratterizzazione della morfologia per arrivare a rivelazioni più complesse che vanno dalle proprietà magnetiche ed elettriche fino a quelle elastiche e viscose [2]. Nella sua versione iniziale, l’AFM è comunque limitato in sensibilità per le proprietà meccaniche. E’ applicabile perciò solo a materiali con modulo elastico medio come i polimeri, ad esempio. La Microscopia a Scansione di Sonda ad Ultrasuoni (UFM) è stata quindi introdotta come un possibile approccio per superare questo limite pur mantenendo una alta sensibilità in morfologia [3]. In particolare essa permette di mappare localmente la superficie di materiali eterogenei con alto modulo elastico e anche strati molecolari ultrasottili [4-9].
In Figura 1, il setup UFM è mostrato in modo schematico. E’ in pratica un AFM operante in modalità di contatto (CM) ma i campioni sono rigidamente montati su di un piezo-disco, che può indurre un movimento verticale periodico. Con l’aiuto della figura le caratteristiche principali della tecnica possono essere così descritte:
· La vibrazione verticale è alla frequenza f<sub>U</sub> >> f<sub>C</sub>, la prima risonanza del cantilever, e fuori le risonanze superiori della cantilever stessa. f<sub>U</sub> può variare fra 2 e 8 MHz e la lunghezza d’onda corrispondente è inferiore a pochi mm, maggiore dello spessore del campione.
· Una cantilever con costante elastica (k) può essere considerata infinitamente rigida a f<sub>U</sub>. L’indentazione del campione (d<sub>cont</sub>) può così essere modulata perfino per elevati valori di modulo elastico, altrimenti non possibile per f<sub> </sub>C</sub> a causa del basso valore di k.
· Una modulazione in ampiezza è pure introdotta a f<sub>D</sub> co</sub>, la frequenza di cutoff del feedback, con un’ampiezza massima inferiore a 1 nm (Agilent 33220A). Così la rivelazione della deflessione della cantilever è condotta ad una frequenza intorno a pochi kHz, dove la cantilever è poco rigida quindi mantenendo un’alta sensibilità alla forza e alla morfologia.
· d<sub>cont</sub> dipende dal modulo elastico ridotto (E*) che dipende dai materiali del campione e della punta. Più alto è E*, più basso è d<sub>cont</sub> e di conseguenza più alto il segnale UFM.
· Per registrare i dati UFM, un amplificatore lock-in digitale (Zurich, HF2LI) viene impiegato.
Come descritto dalla meccanica del contatto, l’UFM è sensibile ad un certo volume del campione nell’area del contatto. Se presenti, i difetti ad una certa profondità sotto la superficie possono essere individuati. L’UFM permette perciò di ottenere immagini di sottosuperficie [10-11] ed in particolare l’esplorazione delle interfacce nascoste. In Figura 2 è riportato un esempio di come l’UFM può ottenere questa cosa. Il campione è un frammento di Grafite, o multistrato di Grafene (MLG), posizionato sopra un film polimerico (COC, con T<sub>g</sub> intorno ai 150°C) e strutturato tramite ‘hot-embossing’.
· Le aree sospese non sono individuabili tramite standard Tapping Mode (TM), ma sono visibili in nero nelle immagini UFM: esse possono essere meno rigide dello stesso COC.
· Queste aree si comportano infatti come travi sospese e in loro corrispondenza la indentazione totale (d<sub>tot</sub>) è la somma di d<sub>cont</sub> e della flessione locale (d<sub>flex</sub>).
· Sulle aree sospese, d<sub>tot</sub> può perciò essere superiore di d<sub>cont</sub> su COC seppur d<sub>cont</sub> su Grafite è inferiore.
Il Grafene è oggigiorno uno dei nuovi materiali più investigati [12] e rappresenta una categoria più vasta denominata ‘materiali 2D’ fra cui possiamo ricordare il MoS<sub>2</sub>. Abbiamo recentemente dimostrato che l’UFM può studiare le interfacce sia di Grafene singolo che multistrato in dispositivi reali. Si possono anche caratterizzare le proprietà di porzioni sospese, incluso i loro modi naturali di oscillazione [13-14].
I nostri sforzi sono attualmente, e nel prossimo futuro, indirizzati verso lo sviluppo e il miglioramento di questo tipo di analisi, che sono molto interessanti sia per la scienza sulla nanoscala che per applicazioni di tipo nanotecnologico.

[1] G. Binnig, C. F. Quate, and C. Gerber, Physical Review Letters, 56, 930, 1986
[2] B. Bhushan (Ed.), Springer Handbook of Nano-Technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2004
[3] O.V. Kolosov, K. Yamanaka. Jap. J. Appl. Phys. Part 2-Letters 32 (8A), L1095-L1098 (1993)
[4] F. Dinelli, S.K. Biswas, G.A.D. Briggs, and O.V. Kolosov, ‘Ultrasonically induced lubricity in microscopic contact’, Applied Physics Letters, 71 (9), 1177-9, 1997
[5] F. Dinelli, ‘Application notes for ultrasonic force microscopy’, Isis Innovation, Oxford, UK, 1999
[6] F. Dinelli, M.R. Castell, N.J. Mason, G.A.D. Briggs, and O.V. Kolosov, ‘Mapping surface elastic properties of stiff and compliant materials on the nanoscale using ultrasonic force microscopy (UFM)’, Philosophical Magazine A, 80 (10), 2299‑323, 2000
[7] F. Dinelli, S.K. Biswas, G.A.D. Briggs, and O.V. Kolosov, ‘Measurements of stiff material compliance on the nanoscale with ultrasonic force microscopy’, Physical Review B, 61 (20), 13995-14006, 2000
[8] F. Dinelli, H.E. Assender, K. Kirov, and O.V. Kolosov, ‘Surface morphology and crystallinity of biaxially stretched PET films on the nanoscale’, Polymer, 41 (11), 4285-9, 2000
[9] F. Dinelli, C. Albonetti, O. V. Kolosov, ‘Ultrasonic force microscopy: Detection and imaging of ultra-thin molecular domains’, Ultramicroscopy 111, 267, 2011
[10] K. Yamanaka, O. V. Kolosov, Appl. Phys. Lett. 64, 178 (1994)
[11] F. Dinelli, H.E. Assender, N. Takeda, G.A.D.Briggs, and O.V. Kolosov, ‘Elastic mapping of heterogeneous nano-structures with ultrasonic force microscopy (UFM)’, Surface and Interface Analysis, 27 (5-6), 562-7, 1999
[12] K. S. Novoselov et al. Science 306, 666 (2004)
[13] O. V. Kolosov, N. D. Kay, B. J. Robinson, M. Rosamond, D. A. Zeze, V. Falko, F. Dinelli, ‘Mapping nanomechanical phenomena in graphene nanostructures using force modulation and ultrasonic force microscopy’, NSTI – Nanotech 2012, 1, 285, 2012
[14] O. V. Kolosov, F. Dinelli, M. Henini, A. Krier, M. Hayne, P. Pingue, ‘Seeing the invisible: ultrasonic force microscopy for true subsurface imaging of semiconductor nanostructures with nanoscale resolution’, NSTI – Nanotech 2012, 1, 24, 2012