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Técnicas de Caracterização de Materiais

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Academic year: 2021

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(1)

01 e 03 de novembro

2º Semestre de 2016

Instituto de Física

Universidade de São Paulo

Professores:

Antonio Domingues dos Santos

Manfredo H. Tabacniks

(2)
(3)

Energia /

Momento

Matéria

Propriedade

a ser

caracterizada

Fótons

Íons

Átomos

Elétrons

Neutrons

Prótons

Fótons

Íons

Átomos

Elétrons

Neutrons

Prótons

Energia /

Momento

Matéria

•Microscopias de Sonda Local

(SPM)

Nature Nanotechnology, 1 (2006) 3

(4)

Energia /

Momento

Matéria

Propriedade

a ser

caracterizada

Interação

matéria-matéria,

(ou

radiação-matéria)

Detectam-se forças

ou corrente

elétrica (ou

intensidade

luminosa)

Energia /

Momento

Matéria

•Microscopias de Sonda Local

(SPM)

Nature Nanotechnology, 1 (2006) 3

(5)
(6)

Interação Ponta-Amostra

Microscópio de tunelamento

eletrônico (STM)

(7)

Um pouco de história

Heinrich Rohrer and Gerd K. Binnig, scientists at IBM's Zurich Research

Laboratory in Switzerland, are awarded the 1986 Nobel Prize in physics for their work in scanning tunneling microscopy. Binnig and Rohrer were recognized for developing the powerful Scanning Tunneling Microscopy technique. They shared the award with German scientist Ernst Ruska, designer of the first Electron Microscope.

US Pat. 4343993.

IBM. J. Res. Dev. v.30, N4, 355 (1986)

Experimental setup of first AFM from paper Binnig, Quate and

Gerber

(Phys.Rev.Lett.56,930 (1986))

.

Despite of the great success of the Scanning Tunneling Microscopy it was obvious that STM has fundamental disadvantage - with STM one can investigate only the conductive or conductive layers coated samples.

This disadvantage was overcomed due to the invention of atomic force microscope by Binnig (US Pat. 4724318). He was first who have guessed that under interaction with sample surface macroscopic cantilever provided with sharp tip can be bended by atomic forces to sufficiently large amount to be measured by the common facilities. In first

embodiment to measure tip displacement was used STM

(8)

Um pouco de história

Russell Young and his co-workers Fredric Scire and John Ward (left to right) with the Topografiner. It must be noted however that as long as in 1966 Russell Young has stated idea about an opportunity to acquire the surface topography with usage of current between surface and sharp metallic tip. In 1971 he have published paper about device called Topographiner, which contained all major assemblies of Scanning Probe Microscope.

Phys. Rev. Lett. V. 27, N 14, 1971, P. 922-924 Rev. Sc. Instr. V. 43, N 7, 1972, P. 999-1011

Phys. Rev. Lett. 27, 922–924 (1971)

Observation of Metal-Vacuum-Metal Tunneling, Field Emission, and the Transition Region

Russell Young

,

John Ward

, and

Fred Scire

National Bureau of Standards, Washington, D. C. 20234

Received 26 August 1971; published in the issue dated 4 October 1971

We report what we believe are the first observations of metal-vacuum-metal tunneling. A field emitter is

brought close to a metal surface and the current-voltage characteristic is measured in three regions: the

Fowler-Nordheim region, the intermediate region, and-and the metal-vacuum-metal region.

© 1971 The American Physical Society

URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.27.922

DOI: 10.1103/PhysRevLett.27.922

(9)

Interação Ponta-Amostra

Microscópio de força atômica (AFM)

Fig. 2 Schematic sketch of AFM from Patent "Atomic Force

Microscope"

(US RE37,299)

.

For registration of cantilever bending many methods was used, but currently mostly useful and widely used is method invented by Amer and Meyer (see Fig. 2)

US Pat. RE37,299 (Reissued Pat. No. 5,144,833)

amostra magnética

fibra óptica

metalizada

sistema de varrredura

da amostra (XYZ)

afinada e

lock-in

piezo-stack

gerador

de sinais

diapasão

bloco metálico

laser

Fotodiodo

segmentado

Diapasão de quartzo

(tuning-fork)

(10)

Interação Ponta-Amostra

Microscópio de força

atômica (AFM)

(11)

Interação Ponta-Amostra

Microscópio de força

atômica (AFM)

(12)

Desenvolvemos uma nova unidade de AFM, operando no modo

“tapping”. Neste caso o diapasão foi montado na horizontal. Para os

testes iniciais, usamos pontas de tungstênio. Construímos as células

eletroquímicas para a corrosão de fios de W e preparação da pontas.

(13)

Microscópio de força atômica

Imagem de erro

Imagem de fase

Nanopartículas de

cobre

Imagem

topográfica

Imagem de fase

(14)

Interação Ponta-Amostra

(15)

Software

Functions:

- Control of the system

- Image acquisition

- Image processing

Disponibility:

- Software dedicated

- WSXM from Nanotec

- Open Source GXSM Software

(Linux)

Tip-sample distance control

- Contact mode

- Tapping mode

- Shear-force mode

Image construction

- Feedback control signal

- Direct measurement of any

specific signal

(amplitude or phase)

(16)

Piezo-electric Scanner

- Tube

- Flexure

- Bimorphes

(17)

Feedback Control

P

I

Signal

Setpoint

error

Proportional

Integral

Z-piezo

output

(18)

Modo de Operação

Microscópio de força

atômica (AFM)

-

Modo de contato

-

Modo “tapping”

(intermitente)

““ver simuladores””

(19)

Modo de Operação

Microscópio de força

atômica (AFM)

-

Força normal

-

Força lateral

(20)

Modo de Operação

Microscópio de força

atômica (AFM)

-

Força normal

(21)
(22)

Nature Nanotechnology, 6 (2011) 191

Comparação entre técnicas

Microscópio

ótico

AFM

MEV

(23)

DME - Danish Micro Engineering A/S

Herlev, Denmark

PSIA Corp.

Sungnam, Korea

JPK Instruments AG

Berlin, Germany

QuantomiX

Nes-Ziona, Israel

NT-MDT, Molecular Devices and Tools for Nanotechnology,

Moscow, Russia

Quesant Instruments

,

Agoura Hills, CA

Molecular Imaging Corporation,

Phoenix, AZ.

RHK Technology, Inc.

,

Rochester Hills, MI

Nanosurf AG

,

Liestal, Switzerland

Surface Imaging Systems GmbH

,

Herzogenrath, Germany

Nanotec Electronica

Madrid, Spain

Triple-O Microscopy GmbH,

Potsdam, Germany

Novascan Technologies, Inc.

Ames, IA

Veeco Metrology Group

Woodbury, NY

Omicron Vacuumphysik GmbH,

Taunusstein, Germany

Veeco Metrology Group was formed through the merger of Digital Instruments, Santa Barbara, CA and TM Microscopes, formerly ThermoMicroscopes, Inc., Sunnyvale, CA Merged brands also include Topometrix and Park Scientific Instruments.

(24)

Using a form of atomic force microscopy, researchers

can differentiate the chemical bonds in a single

Referências

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