1

FACULTATEA DE INGINERIE

Specializarea: S.M. anul IV

Disciplina: Nanomateriale i Nanotehnologii

- Dobndirea de cunotine cu privire la caracterizarea materialelor nanostructurate.

Microscopia de for atomic (Atomic Force Mycroscopy-AFM) a fost inventat in anul

1986. Este o tehnic de analiz a suprafeelor unui material rigid pn la nivel de atomi, cu o putere de

mrire de pn la 108 ori. Cu ajutorul acestui microscop se pot obine imagini 2D sau 3D ale

suprafeelor unor materiale solide (izolatoare sau conductoare) cu o rezoluie lateral in domeniul

nano, si rezolutie subangstrom pe vertical. Marele avantaj este c poate opera n aer, vid i lichide la

diferite temperaturi.

Microscopul de forta atomica colecteaz informaii in urma interactiei dintre un palpator (vrf) i

suprafata specimenului analizat, acestea se pot deplasa cu ajutorul unor elemente piezoelectrice

permind o scanare de precizie nanometric.

Interacia dintre vrf i prob are la baz forele Van der Waals, datorate, n special, forelor electrice

dintre particulele ncrcate de pe suprafeele probei i respectiv sondei de explorare (vrful acului). n

figura 1 este prezentata evoluia forelor Van der Waals cu distana.

Pe msura ce atomii sunt apropiai n mod gradat, acetia se atrag slab ntre ei. Atracia crete pn

cnd atomii sunt att de apropiai nct norul de electroni de pe orbit ncepe s se resping. Aceasta

respingere electrostatica slbete din ce n ce mai mult fora de atracie pe msur ce distana

interatomic continu s se micoreze. Fora devine zero cnd distana atinge civa Angstromi

Fig. 1. Evoluia forelor Van der Waals cu distana dintre vrf i suprafaa probei.

REFERAT DE LABORATOR Nr. 8

Metode de investigare a morfologiei i structurii nanomaterialelor

Obiective

Aspecte generale

Vrful este n

contact cu suprafaa;

Regim de respingere

Vrful este n

ndeprtat de suprafa;

Nu interacioneaz

Vrful este n

apropierea suprafeei;

Regim de atragere

Fo

ra

Distana dintre vrf i suprafaa specimenului analizat

2

Principalele informaii obinute prin tehnica AFM sunt: - Topografia i morfologia suprafeei (forma, dimensiunea i aranjarea spaial a grunilor i

polilor);

- Msurarea rugozitii suprafeei; - Msurarea forelor de suprafa, pn la nivel de Nn; - Cartografierea suprafeei din punct de vedere al proprietilor mecanice la nanoscar, cu

ajutorul unui nou tip de cantilever armonic torsional;

- Studiul unor fenomene cum ar fi: abraziunea, adeziunea, curarea, coroziunea, frecarea, lubrifierea.

Microscopul de for atomic este folosit pentru caracterizarea suprafeelor filmelor sub aspectul

morfologiei acestora (figura 4). Tehnica AFM produce imagini 2D sau 3D ale unei suprafee prin

scanare cu un dispozitiv cu vrf ascuit n form de piramid ptrat obinut prin depunerea chimic

din stare de vapori, de dimensiuni atomice, care se mic pe aceast suprafa. Vrful ascuit este

situat la captul unei console-suport. Pe msur ce vrful ascuit urmrete formele de pe suprafaa de

analizat, consola se arcuiete ca rspuns la forele ce se dezvolt ntre vrf i prob, proporional cu

fora de interactiune dintre acestea, de obicei mai mic de 10-9 N. Amplitudinea arcuirii se schimb n

funcie de topografia suprafeei scanate. Pe msur ce vrful ascuit urmrete formele de pe suprafaa

probei, un fascicul laser este proiectat pe captul consolei, de unde se reflecta pe un fotodetector.

Deoarece comportarea consolei se supune legii lui Hook, pentru deplasri mici, poate fi aflat fora de

interaciune dintre vrf i prob. n mod obinuit, vrful are o raz de la civa nm pn la zeci de nm.

Att consola ct i vrful sunt fabricate din Si sau Si3N4. Micarea vrfului sau a probei are loc cu

Principiul de funcionare

b. a.

Fig. 4. a. Schema de principiu a microscopului de for atomic; b. vrful

cantilevr.

3

ajutorul unui dispozitiv extrem de precis de poziionare care este confecionat din ceramic

piezoelectric, cel mai adesea sub forma unui scaner tubular. Scanerul are o rezoluie de ordinal sub-

angstromilor pe direciile x, y i z. Axa z este prin convenie considerat axa perpendicular pe prob.

Interacia vrf-prob se poate realiza n trei moduri (tehnici de scanare) : prin contact permanent, prin

contact intermitent i prin non-contact.

Microscopia de for atomic este larg utilizat n prezent pentru caracterizarea la nanoscar a

materialelor n general i a filmelor subiri n special.

Imagini de microscopie de for atomic (AFM) pentru analiz morfologic a:

metale - aur

Fig.5 Imagine AFM a pulberii (a) i filme subiri (b) de nanoparticule de aur

oxizi -oxid de zinc (ZnO)

Fig. 6 Imagine AFM a nanoparticulelor de ZnO: a) vedere 2D i b) vedere 3D.

polimeri - polimetilmetacrilat (PMMA)

- polietilen tereftalat (PET)

Rezultate experimentale

4

Fig. 7 Imagine AFM a PMMA (a), PET (b) i a amestecului PMMA-PET(c)

materiale hibride

- nanotub de carbon + grafena

Fig. 8 Imagine AFM a unui nanotub de carbon cu un singur perete (a) i a materialului hibrid

de nanotub de carbon cu grafen (b)

- poliesterpolimetilmetacrilat (PS-PMMA)+ nanoparticule de oxid de zinc

a)

b)

c

)

a)

5

Fig. 9 Imagine AFM a materialului compozit PS-PMMA (a) i a polimerului PS-PMMA cu nanoparticule de

ZnO (b)

b)