Microscopia a Sonda Locale e Fotoemissione Angolare

Microscopia a Sonda Locale (AFM, SNOM) e Fotoemissione Angolare (ARUPS)

Antonio Cricenti  -

Laboratorio di Nanospectroscopia

 

ISM-CNR è un'istituzione leader nel campo della microscopia a cansione a sonda locale. Per più di trent'anni, i ricercatori ISM hanno progettato, costruito e utilizzato i microscopi a forza atomica (AFM), ottici a campo vicino (SNOM) e ad effetto tunnel (STM) per la scienza dei materiali e le applicazioni biologiche. Questa attività ha anche prodotto numerosi brevetti e pubblicazioni scientifiche di alto livello.
SNOM e AFM sono tecniche ben consolidate che, attraverso la scansione controllata di una sonda adatta (rispettivamente una fibra ottica appuntita o una punta Si/Si3N4 molto aguzza) sopra la superficie del campione, consentono di raccogliere immagini topografiche con risoluzione su scala nanometrica e , allo stesso tempo, per mappare altre interessanti proprietà dei campioni. Queste proprietà "collaterali" possono essere, in genere, immagini di attrito laterale / ritardo di fase quando si utilizza AFM, nonché proprietà di riflettività, trasmittività o fluorescenza dei campioni con una risoluzione ben al di sotto del limite di diffrazione quando si utilizza uno SNOM. Inoltre, entrambe le tecniche possono essere gestite in aria, nel vuoto o in un ambiente liquido adatto (ad esempio la soluzione fisiologica utilizzata per far crescere le colture cellulari). Quest'ultimo, in particolare, rappresenta un vantaggio inestimabile quando si studiano i sistemi viventi.

La camera ARUPS viene utilizzata per caratterizzare la superficie di semiconduttori / metalli in UHV mediante le bande di elettroni in fotoemissione angolate, Auger e XPS. I substrati metallici reali per scopi biologici sono anche caratterizzati chimicamente.

 
 

Tutti gli strumenti AFM-SNOM possono funzionare in diverse modalità operative (contatto, taglio o modalità tapping) e, in particolare, lo SNOM può utilizzare diversi set-up (illuminazione dalla punta, raccolta dalla punta o modalità di illuminazione / raccolta dalla punta) ottimizzati per adattarsi a specifiche esigenze sperimentali. Fotoemissione interna localizzata, riflettanza, trasmissione, fluorescenza possono essere eseguiti nella gamma UV-IR (lambda 0,4-10 micron). Qualsiasi tipo di campione può essere osservato in un intervallo da pochi nm a mezzo millimetro con sensibilità chimica.

La spettroscopia di fotoelettroni risolta in angolo (ARUPS) è una tecnica spettroscopica quantitativa sensibile alla superficie, che misura l'energia degli elettroni emessi e il loro angolo di emissione e, di conseguenza, le informazioni del vettore k. Gli spettri si ottengono irradiando un materiale con un sorgente di raggi UV (20-40 eV) misurando contemporaneamente il numero di elettroni con una certa energia cinetica che fuoriesce dagli ultimi layers (0-10 nm) del materiale analizzato.

Auger e XPS risolti in angolo misurano la composizione di materiali in alcune parti per mille e si ottengono irradiando un materiale con un fascio di elettroni (Auger) o raggi X (XPS) misurando contemporaneamente l'energia cinetica e il numero di elettroni a qualsiasi angolo di emissione, essendo quindi più sensibile alla superficie o al bulk.

Fotoemissione interna localizzata

Microscopio SNOM in trasmissività e fluorescenza

Riflettività di cellule cancerogene mediante IR-SNOM

Spettri di fotoemissione angolare

 

SPECIFICHE TECNICHE

  • AFM
    Scansione fino a 200 micron
    • Possibilità di lavorare con liquidi
    • Metalli, semiconduttori, campioni magnetici e biologici
  • Petri cell
    • funzionante in liquido
  • SNOM
    Scansione fino a 400 micron
    • Modalità di illuminazione dalla punta, raccolta dalla punta o illuminazione / raccolta ottimizzate per soddisfare specifiche esigenze sperimentali.
    • Fotoemissione interna locale, riflettanza, trasmissione, fluorescenza nella gamma UV-IR (lambda 0,4-10 micron)
  • ARUPS
    Temperature di funzionamento: 120 – 1000 K
    • Campione in posizione verticale, polarizzazione del campione, rotazione del campione
    • Il manipolatore UHV permette di effettuare ARUPS, Auger and XPS

TECNICHE DISPONIBILI

  • AFM
    • Modalità contatto, frizione, senza contatto, tapping
    • Immagini e mappatura della topografia e composizione chimica
  • SNOM
    Scansione fino a 400 micron
    • Immagini e mappatura della topografia e composizione chimica dei campioni
    • Fotoemissione interna locale, riflettanza, trasmissione, fluorescenza
  • ARUPS
    • Dispersione della banda di valenza con risoluzione energetica di 50 meV
    • Studi Auger nell’intervallo di energia 5-3000 V
    • Studi XPS nell’intervallo di energia 5-600 V
    • Studi sulla composizione chimica della superficie con una risoluzione di 0,1-0,5 eV
 
 

CAMPIONI

  • Nessuna limitazione per AFM e SNOM

  • ARUPS: dimensioni laterali del campione: 10x5 mm

  • Conducibilità elettrica dei campioni sufficiente per evitare caricamenti

  • Il tempo per il caricamento del campione e il suo trasferimento nella posizione di misurazione è di 30 min

  • Pulizia mediante bombardamento ionico e riscaldamento diretto.

  • Evaporazione metallo-semiconduttore di film sottili

 

UTILIZZATO PER

  • AFM e SNOM

    • Studi di campioni di scienza dei materiali e biologici

  • ARUPS

    • Studi di superfici pulite di metallic e semiconduttori

 
 

ESEMPI APPLICATIVI

Microscopia a scansione a sonda locale in scienza dei materiali e biologia
 
Viene presentata una rassegna dell'attività di microscopia a scansione a sonda locale nel nostro Istituto, che va dalla strumentazione allo sviluppo del software per gli apparati di Microscopi a forza atomica (AFM) e ottici a campo vicino (SNOM). Verranno presentati alcuni degli esperimenti più importanti in scienze dei materiali e biologia condotti dal nostro gruppo nel corso degli anni con queste tecniche SPM. Infine, saranno presentate anche le applicazioni nell’infrarosso accoppiando un SNOM con un laser a elettroni liberi.
 
Si veda: Antonio Cricenti et al. J.Appl.D 44, 464008 (2011)

 
 
 

Proprietà elettroniche e ottiche dei materiali bidimensionali del gruppo IV Evidenza di asimmetria elettronica nella struttura Si (111) √3 × √3 – Ag
 
Superficie Si (110) 2x3-Sb studiata con fotoemissione risolta ad angolo.

O.Pulci et al. Phys. St. Sol. A207, 291 (2010)

I.Matsuda et al. Phys. Rev. B68, 085407 (2003)

A.Cricenti et al. J. Vac. Sci. Technol. A15, 133 (1997)
 
 
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