AFM-IR / Photo-induced Force Microscopy (PiFM)

Il futuro della scienza dei materiali è nano. Molti nuovi prodotti si basano su nanomateriali e utilizzano le loro proprietà specifiche per ottenere nuove funzionalità o migliorate. Ma come facciamo a sapere che il nanomateriale è esattamente come lo vogliamo?
L’imaging su scala nanometrica non è sufficiente; ciò che è richiesto è l’imaging chimico su nanoscala. La microscopia photo induced force (PiFM) è una potente tecnica AFM-IR per ottenere spettri infrarossi con una risoluzione inferiore a 10 nm. Gambetti Kenologia offre uno strumento PiFM progettato da Molecular Vista, che può anche essere configurato per eseguire la scansione a dispersione microscopia ottica in campo vicino (s-SNOM).

Come funziona l’AFM-IR?

Nel nanoIR o AFM-IR, la punta dell’AFM esegue la scansione del campione mentre un laser a infrarossi eccita il campione per facilitare la spettroscopia IR. Questo fa si, che sia la topografia che gli spettri chimici sono registrati ad alta risoluzione. Esistono diversi modi per misurare gli spettri di assorbimento IR attraverso la punta AFM. In PiFM, la forza fotoindotta è il risultato di un’attrazione di forza dipolo-dipolo tra la punta per l’imaging e il campione quando illuminato con una sorgente di luce monocromatica e coerente.

Attraverso l’imaging a più lunghezze d’onda IR, corrispondenti ai picchi di assorbimento di diverse specie chimiche, PiFM ha la capacità di mappare spazialmente modelli su scala nanometrica dei singoli componenti chimici. Di seguito è mostrato un diagramma schematico di PiFM:

Perché usare AFM-IR / PiFM?

Rispetto alle tecniche concorrenti per AFM-IR, la microscopia a forza fotoindotta presenta numerosi vantaggi. Ad esempio, nelle tecniche basate su AFM foto-termiche, l’espansione termica nel campione può ridurre la risoluzione spaziale e la sensibilità superficiale. Per le  tecniche AFM-IR di tipo scattering SNOM, la risoluzione spaziale e la sensibilità superficiale sono buone, ma permangono importanti sfide nell’interpretazione delle immagini, nell’estrazione di informazioni utili del fondo (background) e nella presenza di artefatti nell’immagine ottica.

PiFM ha un eccellente rapporto segnale-rumore e un piccolo volume di interazione, che porta ad una maggiore risoluzione spaziale. È ad esempio possibile risolvere i diversi blocchi chimici di un campione di copolimero a blocchi PS-b-PMMA con un tono di circa 22 nm (l’aumento del segnale / risoluzione misura meno di 7 nm).

L’eccellente sensibilità superficiale è dimostrata nella misurazione degli origami del DNA riportata di seguito. Soprattutto l’immagine a 1000 cm-1 che evidenzia la Mica mostra che la tecnica non misura la Mica sotto la patch di DNA a 3 nm.

Infine, PiFM non soffre di interferenze  dal fondo (background) e mostra una buona correlazione con spettri IR convenzionali di materiali sfusi senza effetti di spessore del campione.

Un modo efficace per analizzare campioni sconosciuti è l’imaging iperspettrale AFM-IR (hyPIR), che fornisce immagini di tutte le modalità risonanti in una struttura con una singola scansione. Una griglia di 128 x 128 pixel può essere prodotta in circa un’ora.

Alcuni esempi PiFM

Usando la microscopia a forza indotta da foto a infrarossi sarai in grado di acquisire spettri IR mentre mapperai contemporaneamente la topografia. Le lunghezze d’onda infrarosse specifiche per diverse entità chimiche risolvono la distribuzione su scala nanometrica di ciascuna specie chimica in diversi sistemi multifase e multicomponente.

Ad esempio, la tecnica l’iperspettrale a infrarossi PiFM ti darà una rapida idea sulla composizione chimica dei film fotovoltaici di perovskite, che hanno una struttura di dominio complicata. La scansione mostra diverse fasi chimiche e transizioni chimiche attraverso i limiti di fase.

Le molecole di origami di DNA (~ 3 nanometri di altezza) depositate sulla mica vengono prontamente riprodotte mediante topografia e PiFM. Il segnale delle molecole di DNA mostra chiaramente la modalità vibrazionale dell’ammide I.

Per molte applicazioni per semiconduttori, PiFM è una tecnica applicabile, tra l’altro, per la visualizzazione e l’analisi della deposizione selettiva di area (ASD / Immagine in basso), deformazione locale, sezione trasversale di un trench, cross section di uno stack  di films multistrato, il mechanical polishing (CMP), strati conduttivi sepolti e analisi dei difetti.

Dato che il futuro della scienza dei materiali è nano, la microscopia a forza fotoindotta (AFM-IR) è uno strumento indispensabile per analizzare la topografia e la composizione chimica di nuovi materiali evidenziandone i dettagli.