miniatura|250px|Diagrama de un microscopio de fuerza atómica.
El microscopio de fuerza atómica (AFM, de sus siglas en inglés atomic force microscope) es un instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewtons. Al rastrear una muestra, es capaz de registrar continuamente su topografía mediante una sonda o punta afilada de forma piramidal o cónica. La sonda va acoplada a un listón o palanca microscópica muy flexible de sólo unos 200 µm.
El microscopio de fuerza atómica ha sido esencial en el desarrollo de la nanotecnología, para la caracterización y visualización de muestras a dimensiones nanométricas (10–9 m = 1 nm).
Historia
En 1986, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por su trabajo en microscopía de efecto túnel (STM de sus siglas en inglés scanning tunneling microscopy). Binnig y Rohrer fueron reconocidos por el desarrollo de la técnica de STM, técnica que permite formar una imagen topográfica en escalas que pueden ir desde cientos de micras (1×10–6 m) hasta la escala nanométrica (1×10–9 m), e incluso a escala atómica (1×10–10 m) sobre la superficie de un material conductor o semiconductor mediante el barrido de una punta sumamente aguda conductora de una corriente eléctrica a una distancia de unos pocos nanómetros. Compartieron el premio con el científico alemán Ernst Ruska, el diseñador del primer microscopio electrónico.http://inventors.about.com/library/inventors/blstm.htm https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986
Comparación del AFM con otros microscopios
Microscopio óptico
El microscopio óptico es una herramienta muy útil para obtener imágenes de muestras orgánicas e inorgánicas, pero está limitado para una resolución de 1 mm a 1 micra.
Microscopio electrónico
El microscopio electrónico tiene una resolución entre 1 mm y 1 nm. Es, por lo tanto, idóneo para la determinación de estructuras a nivel molecular y atómico. La resolución no está limitada por la difracción, pero sí por las lentes. El microscopio de campo cercano tiene una resolución todavía mayor: entre 1 µm y 1 Å.
TEM El TEM (microscopio electrónico de transmisión), tiene las siguientes características que lo hacen muy útil: Resolución atómica. Pueden determinarse estructuras en dos dimensiones. Interacción electrones a electrones.
SEM El SEM (microscopio electrónico de barrido) tiene las siguientes características: Resolución atómica. Requiere vacío. Debe cubrirse a menudo el espécimen. Permite características superficiales.
STM El STM (microscopio de efecto túnel) es un instrumento que permite visualizar regiones de alta o baja densidad electrónica superficial, y de ahí inferir la posición de átomos individuales o moléculas en la superficie de una red. La «observación» atómica se ha vuelto una tarea común en muchos laboratorios debido al bajo costo de este tipo de microscopía en comparación con la microscopía electrónica.
Las técnicas de microscopía de barrido por sondeo (SPM: Scanning probing microscopy) que incluyen al STM y al AFM se utilizan en áreas de la ciencia que van desde la biología hasta la física del estado sólido.
Principales restricciones y observaciones en su uso
Algunas superficies parecen demasiado lisas al STM, la altura aparente o corrugación es de 1/100 a 1/10 diámetros atómicos. Entonces, para resolver átomos individuales la distancia entre punta y muestra debe mantenerse constante a menos de 1/100 de diámetro atómico o hasta 0.002 nm., por ello el STM debe aislarse de las vibraciones. Debe tomarse en cuenta que el resultado es una visualización que permite conocer características de la muestra. No es una fotografía de los átomos en la superficie. Los átomos parecen tener superficies sólidas en las imágenes de STM, pero en realidad no las tienen. Sabemos que el núcleo de un átomo está rodeado de electrones en constante movimiento. Lo que parece una superficie sólida es en realidad una imagen de un conjunto de electrones. Las imágenes también dependen de ciertos mecanismos de interacción punta-muestra que no se entienden bien hasta la fecha. Aun cuando no necesita alto vacío para su operación, es deseable para eliminar contaminación y además una cámara de vacío aísla de vibraciones externas.
Recientemente (4 de junio de 2007) un equipo liderado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha perfeccionado la técnica empleada por los microscopios atómicos. La nueva técnica, denominada Phase Imaging AFM, está basada en la microscopía de fuerzas, y permite realizar medidas tanto en aire como en medios líquidos o fisiológicos. El desarrollo de esta técnica podría tener aplicaciones en áreas diferenciadas, como la biomedicina, la nanotecnología, la ciencia de materiales o estudios medioambientales.
Instrumentación
miniatura|Diagrama de un microscopio de fuerza atómica.
Los componentes de un AFM son: Diodo láser: fuerza normal, Fn=A+B-(C+D), y Fuerza lateral, Fl=A+C-(B+D). Micropalanca Fotodiodo Tubo piezoeléctrico
Micropalancas
miniatura|250px|Micropalanca
Históricamente las primeras palancas tenían un tamaño de varios mm y solían fabricarse con metal, por ejemplo, a partir de un hilo de tungsteno con un extremo afilado y doblado en ángulo recto para producir la punta. Más tarde se hizo necesario, para mejorar la velocidad de barrido sin perder resolución, que las palancas tuvieran masas cada vez menores y simultáneamente frecuencias de resonancia mayores. La solución a este problema se halló en la microfabricación de las palancas.
Las micropalancas se producen en la actualidad empleando métodos de microfabricación heredados inicialmente de la industria microelectrónica como litografía de superficie y grabados reactivos de plasma de iones (RIE y DRIE siglas en inglés de Reactive Ion Etching y Deep Reactive Ion Etching). Las puntas suelen fabricarse a partir de deposiciones de vapor de algún material idóneo sobre la palanca ya fabricada, en cuyo caso el resultado suele ser una punta cónica o más comúnmente, cuando el silicio es el material de elección, recurriendo a técnicas de grabado anisótropo. El grabado anisótropo involucra el uso de una solución de grabado que excava el material sólo o preferentemente en ciertas direcciones cristalográficas. De esta manera, es posible producir puntas piramidales limitadas por planos cristalográficos del material.
La fuerza de la micropalanca viene dada por el fabricante y se determina por la ley de Hooke. En este caso, la ley de Hooke se representa por la ecuación del resorte, donde se relaciona la fuerza F ejercida por el resorte con la distancia adicional x producida por alargamiento, del siguiente modo:
, siendo
El ruido de Johnson-Nyquist, también conocido como ruido térmico, es un factor importante en la calibración de la micropalanca, pues está a su frecuencia de resonancia por la temperatura.
Sensores de flexión
Existen actualmente distintos sistemas para medir la flexión del listón. El más común en instrumentos comerciales es el llamado óptica en este la flexión del listón se registra mediante un haz láser que se refleja en la parte posterior de la micropalanca para luego alcanzar un fotodetector. A este efecto, la mayor parte de las micropalancas (listones) de AFM se fabrican actualmente con una capa de oro de unas decenas de nm de espesor en su parte posterior para optimizar su reflectancia al haz del láser. Sin embargo, históricamente el primer sistema de detección usado fue un microscopio de STM (efecto túnel). En este sistema una punta de STM era ajustada al listón siendo la flexión de esta medida a través de la variación en la corriente de túnel, ya que dicha corriente es sensible a cambios subnanométricos en la distancia entre punta de STM y listón. La razón de que se pensara inicialmente en este sistema es que en su origen el microscopio de AFM se concibió como modificación del microscopio de STM para ser usado con muestras eléctricamente aislantes ya que el microscopio de STM sólo funciona con conductores. Posteriormente se pasó a sustituir este sistema de detección por un interferómetro y finalmente se introdujo la palanca óptica. Más recientemente se han incorporado nuevos métodos de detección basados en piezorresistividad o en medidas de capacitancia. Sin embargo, ninguno de estos métodos «electrónicos» alcanza los niveles de resolución tanto espacial como temporal de la palanca óptica.
Por otra parte, la palanca óptica presenta un problema de calibración que afecta especialmente a las medidas de fuerza. Este se debe a la necesidad que se da en las medidas de fuerza de registrar de forma precisa la flexión de la palanca en su extremo libre. Ya que el fotodiodo solamente registra el desplazamiento del punto de láser sobre su superficie es necesario calibrar este desplazamiento con una flexión real de la palanca para poder obtener medidas de flexión. Este procedimiento conocido como calibración de la sensibilidad se lleva a cabo imprimiendo una flexión conocida al extremo de la micropalanca mientras simultáneamente se registra la señal del fotodiodo. La forma más común de obtener una flexión conocida es presionar verticalmente el extremo de la palanca contra una superficie rígida, asegurando así que el desplazamiento vertical de la palanca equivale a flexión en su extremo.
Los métodos interferométricos o de efecto túnel no requieren de este procedimiento.
Punta
miniatura|Ampliación a 3000x de una palanca usada de AFM.
Unos de los aspectos más importantes en la resolución de las imágenes obtenidas por AFM es la agudeza de la punta. Las primeras utilizadas por los precursores del AFM consistieron en pegar el diamante sobre pedazos de papel de aluminio. Las mejores puntas con radio de curvatura se encuentran alrededor de los 5 nm.
Existen tres tipos de influencias para formar las imágenes: ensanchamiento; compresión; interacciones punta-muestra: en no contacto, fuerzas electrostáticas y magnéticas; en casi contacto, fuerzas de Van der Waals; en contacto, capilaridad y fuerzas de contacto; aspecto del radio.
Precisión
La resolución vertical del instrumento es de menos de 1 nm, y permite distinguir detalles tridimensionales en la superficie de la muestra con una amplificación de varios millones de veces.
Tipos de medidas, modos de operación y aplicaciones
El microscopio de AFM puede realizar dos tipos de medidas: imagen y fuerza.
En el modo de imagen, la punta barre la superficie en el plano de la superficie (X-Y). Durante el barrido, la fuerza interatómica entre los átomos de la punta y los átomos en la superficie muestral provoca una flexión del listón. Un sensor adecuado (normalmente balanza óptica) registra esta flexión, y la señal obtenida se introduce en un circuito o lazo de realimentación. Este último controla un actuador piezoeléctrico que determina la altura (Z) de la punta sobre la muestra, de manera que la flexión del listón se mantenga a un nivel constante (normalmente introducido por el operador). Si se representa la altura de la punta (Z) frente a su posición sobre la muestra (X, Y) es posible trazar un mapa topográfico de la muestra Z=Z (X, Y). La fuerza interatómica se puede detectar cuando la punta está muy próxima a la superficie de la muestra.