Principios de análisis instrumental

548 Capítulo 21 Caracterización de superficies por espectroscopia y microscopía ((( Voladizo Tubo explorador piezoeléctrico Deftector sensib le / a posición() Muestra FIGURA 21.25 Vista latera l de un detector óptico de la deflexión del haz . Por lo regular, se pueden detectar deflexiones de 0.1 nm o menos cuando la punta barre la superficie de la muestra . tubo piezoeléctrico. Durante un escaneo, se mantiene constante la fuerza sobre la punta en el movimiento hacia arriba y hacia abajo de la misma, que entonces proporciona la información topográfica. La ventaja del microscopio de fuerza atómica es que también funciona en muestras no conductoras. 30 La figura 21.25 muestra en forma gráfica el método más común para detectar la desviación del elemento en voladizo que sujeta la punta. Un rayo láser se refleja por dicho elemento hacia un fotodiodo segmentado que detecta el movimiento de la sonda. La lectura de salida del fotodiodo controla la fuerza que se aplica en la punta de tal manera que ésta permanezca constante. En otras palabras, el sistema de control óptico es análogo al sistema de con– trol de la corriente de túnel en el microscopio de efecto túnel. La figura 21.26 muestra el diseño típico de un microscopio de fuerza atómica. El sistema de movimiento es un dispositivo piezoeléctrico tubular que desplaza la muestra en las direcciones G 1 Fuerza de detección Control de la muestra y adq uisición de datos volrizo Portamuestras Punta Muestra 1 1 Pieza control [(x, y, z) 1 de la muestra Retroalimentación FIGURA 21.26 Diseño característico de un microscopio de fuerza atómica. (Tomada de D. R. Louder y B. A. Parkinson, Anal. Chem ., 1995, 67, p. 297A, DOI: 10.1021/ac00105a718. Con autorizació n.) x, y y z bajo la punta. La señal proveniente del detector de rayo láser se retroalimenta entonces del transductor piezoeléctrico que está en contacto con la muestra, lo cual causa el movimiento de la muestra hacia arriba y hacia abajo, para mantener constante la fuerza entre la punta y la muestra. La punta y el voladizo El rendimiento del microscopio de fuerza atómica depende críti– camente de las características físicas de la punta y del voladizo. En los primeros microscopios de este tipo, los voladizos se cortaban de láminas muy fina s de metal y las puntas se fabricaban a par– tir de partículas de diamante pulverizado. Las puntas se pegaban cuidadosamente en forma manual a los voladizos. Hoy en día, este método rudimentario se ha reemplazado por los métodos de producción en masas de semiconductores, en los que los con– juntos voladizo-punta se obtienen por ataque químico a obleas de silicio, de óxido de silicio o de nitruro de silicio. Los conjuntos voladizo-punta más comunes que se utilizan en la actualidad se micromecanizan en piezas monolíticas de silicio como se muestra en la figura 21.26. Como se puede ver, las puntas y el voladizo son diminutos (lo ideal es que haya un solo átomo en la punta). Modos de la microscopía de fuerza atómica Los métodos más usados de los microscopios de fuerza atómica son tres: modo de contacto, modo sin contacto y método de con– tacto intermitente. El modo de contacto es el más común. En este caso, la punta está en contacto constante con la superficie de la muestra. La mayor parte de las mediciones con la microscopía de fuerza atómica se efectúa en condiciones de presión ambiente o en líquidos, y las fuerzas de tensión superficial que ejercen los gases adsorbidos o la capa líquida podrían jalar la punta hacia abajo. Estas fuerzas, aunque bastante pequeñas, son lo suficientemente grandes como para daflar la superficie de la muestra y distorsio– nar la imagen. Este problema es en particular molesto con algunos materiales más suaves, como las muestras biológicas, polímeros e incluso con algunos materiales aparentemente más duros como las obleas de silicio. Además, muchas muestras pueden atrapar cargas electrostáticas, las cuales pueden incrementar la fuerza de atracción entre la sonda y la muestra. Esto puede ocasionar fuerzas de fricción adicionales a medida que la punta se desplaza sobre la muestra, lo cual achata la punta y daña la muestra. El problema del daño a la superficie se puede evitar en gran medida mediante un proceso en el que la punta está en contacto periódico con la superficie sólo en periodos cortos para luego retirarse de la superficie. En la modalidad de funcionamiento por contacto intermitente, el elemento que sostiene la punta oscila a una frecuencia de unos cientos de kilohertz. La oscilación se ori– gina por una fuerza externa constante y su amplitud se mide en forma continua. El voladizo se coloca de tal modo que la punta toque la superficie sólo en el mínimo de cada ciclo de oscilación. Esta técnica se ha utilizado con éxito para obtener imágenes de una gran variedad de materiales, de los cuales ha sido muy difícil o imposible obtener en la modalidad común de contacto constante. La modalidad menos común de operación es el modo sin contacto, en el cual la punta está suspendida a unos cuantos nanó– metros por encima de la superficie de la muestra. Las fuerzas de atracción de Van der Waals entre la punta y la muestra se detec– tan cuando la punta explora la superficie. Dichas fuerzas son sus-