A microscopia de força atómica (AFM)

A microscopia de força atómica e a microscopia de força piezoeléctrica fazem parte da família da microscopia de varrimento de sensor (ou SPM do inglês: Scanning Probe Microscopy) que agrupa todas as técnicas que se baseiam no varrimento da superfície de uma amostra por uma ponta. O tipo de interacção estabelecida entre a ponta e a amostra dá o nome específico a cada técnica.

i. Princípio de funcionamento

A microscopia de força atómica baseia-se na interacção da superfície da amostra com uma ponta aguçada montada num cantilever, espécie de viga que suporta a ponta e funciona como uma mola e que é sensível a pequenas variações de força. A deflexão do cantilever é proporcional à variação da força entre a amostra e a ponta sendo que a variação da força depende da constante de mola segundo a lei de Hooke descrita abaixo na equação 7.

x

C

F

=

−

×

Onde, F, é força entre a ponta e a amostra, C, a constante de mola e x, a deflexão do cantilever.

A deflexão do cantilever é geralmente detectada por técnicas ópticas. Um feixe laser incide no cantilever e a sua reflexão é direccionada para um fotodíodo. Deste modo, os deslocamentos verticais da ponta, e logo a topografia da amostra, são analisados com base nas diferentes intensidades recolhidas pelo fotodíodo. A sensibilidade deste método permite medir deslocamentos inferiores a 0,1nm.

Este tipo de microscopia permite então obter imagens em três dimensões da topografia das superfícies dos materiais com uma resolução que se aproxima das dimensões atómicas. É esta elevada resolução aliada a possibilidade de caracterizar diversas propriedades à nível nanométrico, como a rugosidade, as forças de adesão, domínios magnéticos e eléctricos em ambiente diversos, em ar ou em líquidos, com ou sem variações de temperatura [173], que tornam este tipo de microscopia atractiva para o estudo dos materiais em geral e mais particularmente para o estudo de

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estruturas e fenómenos biológicos tais como a adsorção de protéinas [172,174], funções celulares [175] entre outros.

A figura 5.3. esquematiza o funcionamento do microscópio, onde:

1: Sistema móvel baseado num elemento piezoeléctrico que permite o varrimento da ponta sobre a amostra. O varrimento pode ser feito movendo a amostra e mantendo fixa a ponta, como mostrado no esquema da figura 5.3 ou então movendo a ponta e mantendo fixa a amostra. Neste caso, o sistema móvel baseado no elemento piezoeléctrico encontra-se por cima da amostra e integra a ponta como mostrado no esquema da figura 5.5. Neste trabalho, o varrimento das amostras foi efectuado movendo a ponta e mantendo fixa a amostra.

2: Ponta que varre a superfície.

3: Sistema de aproximação da ponta a amostra. 4: Sensor da posição vertical da ponta.

5: Computador que permite controlar a posição do sistema de varrimento (1), recolhe os dados medidos pelo sensor (4) e converte-os numa imagem [176].

______________________________________________________________________ ii. Modos de operação

Na microscopia de força atómica, existem vários tipos de forças que contribuem para a deflexão do cantilever, sendo as mais comuns as forças de Van der Walls. A natureza das forças de Van der Walls dependem da distância interatómica entre a amostra e a ponta e são mostradas na figura 5.4 [173].

Figura 5.4. Forças interatómicas de Van der Walls em função da distância ponta-amostra

Dependendo da distância ponta-amostra e consequentemente do tipo de força envolvida entre a ponta e a amostra, existem 3 modos distintos de operação: o modo de contacto, o modo de não contacto e o modo de contacto intermitente.

Modo de contacto

Em modo de contacto, o varrimento da ponta sobre a amostra é realizado com a ponta a menos de alguns angstroms de distância da amostra [173]. Estabelecem-se então entre a ponta e a amostra forças repulsivas como mostrado na figura 5.4 [176]. Para além destas forças, estão presentes no modo de contacto: uma força atractiva devida à fina camada de água que se pode formar à volta da ponta e a força exercida pelo cantilever.

A força atractiva devida à água é da ordem de 10-8_{N e depende da separação entre ponta e}

amostra. A força exercida pelo cantilever é equivalente a força de uma mola comprimida e a sua magnitude bem como o seu sinal (atractiva ou repulsiva) depende da deflexão do cantilever e da sua constante de mola. A magnitude total das forças exercidas sobre a amostra em modo de contacto varia entre 10-8 _{ou 10}-6 _N.

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Este modo possibilita a obtenção de imagens de elevada resolução em superfícies lisas e suficientemente duras. É sensível a variações da altura da ponta inferiores a 0,1nm. No entanto, factores como a adesão ou a fricção podem afectar as imagens obtidas [173].

Quando se pretende analisar materiais mais moles ou facilmente deformáveis pela ponta tais como materiais biológicos, polímeros ou amostras muito rugosas, usam-se o modo intermitente ou o modo de não contacto [176].

Modo de não contacto

Neste modo, o cantilever é colocado a uma distância da superfície da amostra entre 10 e 100 nm. As forças de Van der Walls envolvidas são então de natureza atractiva. A magnitude das forças envolvidas em modo de não contacto é muito mais baixa do que em modo de contacto sendo de aproximadamente de 10-12_{N, o que torna este modo de funcionamento interessante para}

caracterizar amostras menos rígidas.

Relativamente ao cantilever, este deverá ser mais rígido do que o usado no modo de contacto afim de contrariar a atracção e contacto com a superfície da amostra.

Devido à baixa magnitude das forças envolvidas e à elevada rigidez do cantilever, o sinal obtido em modo de não contacto é muito pequeno e difícil de medir. Usa-se então um sistema de detecção AC que é mais sensível aos gradientes de força do que as próprias forças de interacção. Assim, o sistema faz oscilar o cantilever a uma frequência próxima da sua frequência de ressonância (tipicamente entre 100 a 400 kHz) e com uma amplitude entre algumas dezenas a centenas de angstroms. O sinal detectado é então referente a variações da frequência ou da amplitude da vibração do cantilever à medida que a ponta se aproxima da superfície da amostra [173].

Modo intermitente

O modo intermitente é similar ao modo de não contacto, excepto que a vibração do

cantilever é realizada a uma maior proximidade da amostra do que no modo de não contacto de

maneira a que a ponta possa tocar levemente na amostra. A magnitude das forças envolvidas no modo intermitente está entre 10-12 _{e 10}-8_{N. À semelhança do que acontece em modo de não}

contacto, o sinal medido corresponde a variações das características de oscilação do cantilever tais como frequência, amplitude ou fase. A região para operar em modo intermitente está representada na figura 5.4.

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O modo intermitente é preferido ao modo de contacto quando se tratam de amostras menos rígidas e é mais eficiente do que o modo de não contacto quando é preciso varrer grandes áreas com grandes variações de topografia [173, 176].