AFM - (Microscopia de força atômica)

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AFM - (Microscopia de 
força atômica) 
Aplicações em nano eletrônia
Histórico
O campo da microscopia de varredura por sonda (SPM) começou no início da 
década de 1980 com a invenção do microscópio de varredura por tunelamento 
(STM) por Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, premiado com o Prêmio Nobel de Física 
em 1986. 
No mesmo ano, um grande avanço foi feito com a invenção do microscópio de 
força atômica (AFM) por Gerd Binning, Calvin Quate e Christoph Gerber, que 
continua a revolucionar a caracterização e medições em nanoescala desde então. 
Hoje AFM é o tipo mais popular de SPM, fazendo com que a terminologia de AFM 
e SPM seja frequentemente usada como sinônimos. 
Scanning Tunneling Microscope 
(STM)
 A microscopia de varredura por tunelamento torna possível ver átomos 
individuais. Como o STM é baseado em tunelamento quântico, onde uma 
diferença de tensão (Bias) é aplicada entre a ponta e a superfície da amostra, 
ele só é aplicável a superfícies metálicas ou outros materiais condutores. 
Carbon nanotubes on graphene-
silicon carbide
STM imaging of 2D crystals Atomic structure of a TiS2 surface
Histórico
No caso do AFM, a sonda é um cantiléver, geralmente possuindo uma ponta na 
extremidade livre. A superfamília de sondas SPM também pode incluir fios 
metálicos simples (como usados em STM) ou fibras de vidro (como usadas para 
varredura de microscopia óptica de campo próximo/SNOM/NSOM).Hoje em dia, o 
AFM inclui uma ampla variedade de métodos nos quais a sonda interage com a 
amostra de diferentes maneiras, a fim de caracterizar diversas propriedades do 
material. AFM pode caracterizar uma ampla gama de propriedades mecânicas 
(por exemplo, adesão, rigidez, atrito, dissipação), propriedades elétricas (por 
exemplo, capacitância, forças eletrostáticas, função de trabalho, corrente 
elétrica), propriedades magnéticas e propriedades espectroscópicas ópticas. 
.
Histórico
Além da imagem, a sonda AFM pode ser usada para manipular, escrever ou até 
mesmo extrair substratos em litografia e experimentos de extração molecular. 
Devido à sua flexibilidade, o microscópio de força atômica tornou-se uma 
ferramenta comum para caracterização de materiais junto com a microscopia 
óptica e eletrônica, alcançando resoluções até a escala nanométrica e além. 
O AFM pode operar em ambientes que vão desde ultra-alto vácuo até fluidos e, 
portanto, abrange todas as disciplinas, desde física e química até biologia e 
ciência de materiais.
Modos de operação do AFM (Modo 
Contato ou Estático)
 Modo estático (modo de contato)O modo estático, ou modo de contato, é o modo original e mais simples de operar 
um AFM. 
 Neste modo, a sonda está em contato contínuo com a amostra enquanto asonda varre a superfície. Em outras 
palavras, a sonda se “arrasta” pela amostra. A configuração mais comum do modo estático é operá-lo em modo de 
força constante ou feedback de deflexão.
 Neste modo, a deflexão do cantilever é o parâmetro de feedback. A deflexão do cantilever é definida pelo usuário 
e está relacionada à força com que a ponta empurra a superfície, para que o usuário controle o quão suave ou 
agressiva é a interação entre a sonda e a amostra.
 O modo estático também pode ser operado no modo de altura constante, onde a sonda mantém uma altura fixa 
acima da amostra. Não há feedback de força neste modo. O modo de altura constante é normalmente usado em 
AFM de resolução atômica, embora seja incomum para outras aplicações de AFM.
 Existe uma configuração conhecida como modo de erro. Este modo é operado em modo de força constante. No 
entanto, a imagem topográfica é então melhorada pela adição do sinal de deflexão à estrutura da superfície. 
Neste modo, o sinal de deflexão também é chamado de sinal de erro porque a deflexão é o parâmetro de 
feedback; quaisquer características ou morfologia que apareçam neste canal são devidas ao "erro" no ciclo de 
feedback, ou melhor, devido à necessidade do ciclo de feedback ser acionado para manter o ponto de ajuste de 
deflexão constante.
 No modo estático com força constante, a saída consiste em duas imagens: altura (topografia z) e deflexão ou sinal 
de erro. O modo estático pode ser um modo de imagem simples e útil, especialmente para amostras robustas no ar 
que podem suportar altas cargas e forças de torção exercidas pelo modo estático, mas também, pode ser 
empregado para amostras mais delicadas em líquido, desde que a força possa ser controlado abaixo de 100 pN.
Modo de Força Lateral (Modo de Contato)
 O modo de força lateral ou modo de força de atrito é uma forma de modo estático (modo 
de contato). No modo de força lateral, a imagem é exatamente como no modo estático, 
exceto que o movimento de varredura do cantilever é geralmente realizado 
perpendicularmente ao eixo do cantilever, em oposição à liberdade de rotação da 
varredura no modo estático convencional.
Modo de Força Dinâmica (Tapping Mode)
 O modo de força dinâmica refere-se ao modos AFM nos quais o cantilever oscila em alta frequência na ressonância ou próximo dela.
 Um tipo específico de modo dinâmico, conhecido como modo de modulação de amplitude (AM-AFM) é o modo de imagem AFM mais 
comum. No AM-AFM, a amplitude de oscilação é o parâmetro de feedback; outros modos dinâmicos possuem parâmetros diferentes 
para feedback, como frequência (modulação de frequência) ou fase (modulação de fase).
 O modo de modulação de amplitude, modo de toque, modo de contato intermitente e modo de força dinâmica podem ser usados 
como sinônimos. Como modo de imagem, o modo dinâmico oferece diversas vantagens importantes. Como o cantilever opera em 
ressonância e interage com a amostra à medida que a sonda "bate" ao longo da superfície, é uma interação suave com a superfície em 
relação aos modos de imagem estáticos que podem preservar a nitidez da ponta. 
 Este tipo de interação também minimiza as forças de torção entre a sonda e a amostra, que são especialmente exacerbadas no modo 
de imagem estática. Estas duas vantagens são particularmente importantes para materiais macios, como polímeros ou nanopartículas 
ou amostras fibrilares, onde os modos dinâmicos são menos destrutivos para a amostra. 
 Usando a amplitude de oscilação do cantilever como parâmetro de feedback, o usuário é capaz de ajustar a interação entre a sonda e 
a amostra entre diferentes regimes, como regimes atrativos e repulsivos. 
 No modo dinâmico, o cantilever é geralmente acionado por um cristal piezoelétrico e começa a vibrar na frequência de excitação. Ao 
varrer a frequência através de uma faixa adequada, o pico no espectro de frequência que corresponde à frequência de ressonância do 
cantilever pode ser encontrado.
Aplicações do AFM em micro e 
nanoeletrônica
 Conductive AFM (C-AFM)
 Piezoelectric Force Microscopy (PFM)
 Electrostatic Force Microscopy (EFM)
 Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)
 Magnetic Force Microscopy (MFM)
https://www.nanosurf.com/en/support/afm-modes-overview/conductive-afm-c-afm
https://www.nanosurf.com/en/support/afm-modes-overview/piezoelectric-force-microscopy-pfm
https://www.nanosurf.com/en/support/afm-modes-overview/electrostatic-force-microscopy-efm
https://www.nanosurf.com/en/support/afm-modes-overview/kelvin-probe-force-microscopy-kpfm
Microscopia de Força Atômica Condutiva (C-AFM)
 O AFM condutivo usa uma sonda condutiva afiada para mapear variações locais na condutividade de uma 
amostra com resolução em nanoescala. 
 O método de microscopia de força condutiva ou C-AFM é descrito como um modo elétrico da família SPM. É 
usado para estudar a condutividade de uma amostra e as propriedades elétricas da imagem, como transporte 
e distribuição de carga em nanoescala. 
 O C-AFM é aplicado no campo da nanoeletrônica, células solares e indústrias de semicondutores para uma 
ampla variedade de medições de alta resolução, incluindo perfil de dopantes semicondutores e controle de 
qualidade para filmes dielétricos e camadas de óxido.
 No AFM condutivo, uma pontacondutora afiada está em contato com a amostra. Durante esse contato, uma 
tensão de polarização é aplicada entre a ponta do AFM e a amostra e o fluxo de corrente é medido entre os 
dois à medida que o a sonda varre a superfície, criando uma condutividade ou mapa de corrente. 
 Este modo é semelhante à microscopia de varredura por tunelamento (STM), que era a técnica SPM original. 
O C-AFM oferece uma vantagem importante sobre o STM porque o C-AFM usa um cantilever condutor em vez 
de um fio metálico afiado.
 Além disso, a topografia de imagens C-AFM através do sistema detector de deflexão de feixe óptico usado em 
todas as medições de AFM. 
 A condutividade elétrica é medida com um pré-amplificador de baixo ruído e alto ganho. Com esta 
configuração, a topografia e as informações atuais são coletadas independentemente no C-AFM (ao contrário 
do STM, onde a topografia e a imagem atual são dependentes uma da outra), o que minimiza a convolução 
dos dois sinais e artefatos, além de simplificar a interpretação da condutividade adquirida. 
Microscopia de Força Atômica Condutiva (C-AFM)
A contaminação da superfície e uma película de água entre a ponta e a amostra comumente 
presentes em condições ambientais também podem reduzir a confiabilidade e a repetibilidade 
do C-AFM. Apenas alguns nanômetros de detritos na ponta podem bloquear o fluxo da corrente 
elétrica. Portanto, às vezes são necessárias forças mais altas, o que requer materiais ou 
revestimentos de ponta mais duros, como revestimentos condutores semelhantes a diamante ou 
siliceto de platina, uma vez que essas forças mais altas degradarão a ponta mais rapidamente.
Finalmente, medições localizadas de ponto único de curvas de corrente-tensão (IV) também 
podem ser coletadas com C-AFM. Para essas medições elétricas, o usuário coloca a sonda no 
local desejado na superfície da amostra e aumenta a tensão de polarização enquanto coleta a 
corrente.
Microscopia de força piezoelétrica (PFM)
 O PFM mede a topografia em nanoescala simultaneamente com a resposta mecânica de um material em 
resposta à aplicação de tensão elétrica.
 A piezoeletricidade é simplesmente a carga elétrica que se acumula em certos materiais sólidos e responde ao 
estresse mecânico. Muitos materiais são piezoelétricos. Certos cristais, cerâmicas e materiais biológicos, como 
dentes, ossos, DNA e várias proteínas. 
 O efeito piezoelétrico resulta da geração interna de carga elétrica resultante de uma força mecânica aplicada. 
O efeito piezoelétrico inverso resulta da geração interna de uma deformação mecânica resultante de um 
campo elétrico aplicado. 
 Como a microscopia de força atômica é fundamentalmente baseada em um contato mecânico real entre a 
ponta e a amostra, ela é especialmente adequada para estudar esse fenômeno em materiais em nanoescala.
 Ferroelétricos são um subconjunto dos piezoelétricos e também são comumente estudados com PFM. Os 
ferroelétricos exibem polarização elétrica espontânea que pode ser invertida na direção pela aplicação de um 
campo elétrico. Num material com domínios ferroelétricos, a inversão do campo externo inverte a orientação 
predominante dos domínios ferroelétricos. 
 A mudança para uma nova direção está atrasada em relação à mudança de campo. Este efeito é conhecido 
como histerese. As propriedades ferroelétricas são aproveitadas em muitas aplicações importantes para 
dispositivos eletrônicos, como sensores, atuadores, detectores e dispositivos de memória. 
 O PFM é baseado no efeito piezoelétrico inverso, onde uma tensão é aplicada à amostra, resultando em uma 
extensão da amostra. Esta extensão mecânica da amostra é então medida em PFM. A extensão ou 
deslocamento da amostra medido no PFM é muito pequeno e mede apenas alguns nanômetros.
 O PFM também é usado frequentemente para estudar domínios ferroelétricos. A tensão de polarização 
aplicada pode mudar regiões de domínios ferroelétricos para que a estrutura e a formação do domínio 
ferroelétrico possam ser exploradas com resolução em nanoescala. Desta forma, a topografia e os domínios 
ferroelétricos correspondentes podem ser visualizados com nano ou micro resolução.
Microscopia de força piezoelétrica (PFM)
 O PFM opera em modo estático, onde uma sonda condutora AFM faz a varredura com força 
constante sobre a amostra. Uma sonda condutora é necessária como forma de aplicar a 
tensão de polarização sobre a amostra durante a varredura. Uma tensão CA é aplicada entre 
a ponta do AFM e a superfície da amostra para gerar o campo piezoelétrico inverso na 
amostra. A amostra irá contrair ou expandir devido a esta tensão aplicada, resultando em 
uma deflexão do cantilever PFM. Esta deflexão cantilever é monitorada com um detector de 
fotodiodo padrão e demodulada com um amplificador lock-in. Tanto a amplitude quanto a 
fase do PFM do cantilever oscilante são monitoradas. O sinal de amplitude PFM fornece 
informações sobre a força do sinal e, portanto, do tensor piezoelétrico do material. O sinal 
de fase PFM fornece informações sobre a direção da polarização.
Topography of lead zirconate titanate (PZT)
Piezoelectric Force Microscopy on lead zirconate titanate (PZT)
Microscopia de força eletrostática (EFM)
 A microscopia de força eletrostática (EFM) é um modo elétrico na microscopia de força atômica para 
mapear variações no campo elétrico da amostra e revelar informações sobre o potencial de superfície 
e distribuição de carga.
 Microscopia de força eletrostática ou EFM é um modo AFM elétrico comum que fornece informações 
úteis e qualitativas sobre gradientes de campo elétrico de uma superfície de amostra, fornecendo 
assim um mecanismo de contraste relacionado às propriedades elétricas da amostra. 
 O EFM opera no modo de modulação de amplitude, um tipo de modo de força dinâmica onde um 
cantilever com um fino revestimento eletricamente condutor é acionado em sua frequência de 
ressonância, associado ao modo intermitente. 
 Como o cantilever oscilante é sensível a gradientes de força eletrostática de longo alcance, o EFM 
revela informações qualitativas sobre o potencial de superfície e distribuição de carga. A interação 
eletrostática depende da distância entre a ponta e a amostra, e a mudança na frequência de 
ressonância do cantilever monitora as variações no campo eletrostático entre a ponta e a amostra. 
Aluminum dots deposited on a gold 
substrate
Microscopia de força com sonda Kelvin 
(KPFM)
 O KPFM fornece informações sobre o potencial de contato ou função de trabalho da superfície 
de uma amostra, fornecendo assim um mecanismo de contraste relacionado às propriedades 
elétricas da amostra. 
 A função de trabalho é definida na física dos estados sólidos como a energia necessária para 
remover um elétron do nível de Fermi em um sólido para o vácuo; a função de trabalho é, 
portanto, uma propriedade da superfície, não do volume. Portanto, o KPFM é um método 
sensível à superfície que sonda apenas a superfície e a superfície próxima.
Overlay of contact potential 
difference on an AFM 
topography image of a 
multilayer graphene flake.
Microscopia de Força Magnética (MFM)
 O método de microscopia de força magnética é o principal método de microscopia de varredura por sonda para sondar 
amostras com propriedades magnéticas ou materiais magnéticos e elucidar características como domínios magnéticos e 
domínios em uma amostra.
 Este método é amplamente utilizado na área de meios de armazenamento magnético para controle de qualidade.
 No MFM, são medidas as forças magnéticas que atuam em uma ponta afiada e magnetizada pela amostra. Durante esta 
medição, a ponta é levantada da superfície para separar as forças magnéticas de longo alcance das forças atômicas de 
curto alcance entre a ponta e a amostra.
 A microscopia de força magnética opera no modo de modulação de amplitude, um tipo de modo de força dinâmica 
onde um cantilever com um revestimento magnético fino é acionado em sua frequência de ressonância, normalmentena casa das dezenas ou centenas de quilohertz (este modo também é conhecido como tapping mode). 
 O MFM mapeia a fase e a frequência do cantilever oscilante à medida que ele passa a uma altura prescrita sobre a 
amostra. Um gradiente de força magnética repulsiva fará com que a curva de ressonância se desloque para uma 
frequência mais alta, acompanhada por um aumento na mudança de fase (contraste brilhante). Por outro lado, um 
gradiente de força magnética atraente resulta na mudança da curva de ressonância para uma frequência mais baixa, 
acompanhada por uma diminuição na mudança de fase (contraste escuro). 
 As vantagens da operação MFM no modo dinâmico são menor ruído e maior resolução. A distância ponta-amostra é um 
parâmetro crucial para otimizar a operação eficaz do MFM. Se a ponta estiver muito distante da amostra, a resolução 
ficará comprometida. Se a ponta estiver muito próxima da amostra, a topografia será complicada no sinal MFM, 
complicando significativamente a sua interpretação.
Magnetic force microscopy (MFM) measurement of a 
hard disk drive platter (same area). White and black 
areas show magnetization reversal, where white 
stands for repulsive forces and black for attractive 
forces. Scan range: 2 µm. Phase range: 5°.
Outras aplicações do AFM em Nanoeletrônica
Nanolitografia e Nanomanipulação
 Os microscópios de força atômica não são somente usados apenas para medir a 
topografia da superfície e várias propriedades dos materiais das amostras. Além de 
imagens e medições de ponto único, o cantilever/sonda AFM pode ser usado para 
realmente escrever em uma superfície, seja por uma técnica subtrativa como 
gravação/riscagem ou uma técnica aditiva. Também é possível manipular características da 
amostra em nanoescala. Normalmente operado em modo estático, o cantilever/sonda 
pode esculpir padrões ou estruturas em superfícies através de uma interação agressiva 
entre a ponta e a amostra configurada com um ponto de ajuste de alta deflexão. 
In this case a stiff 
cantilever was used to 
scratch an "X" into the 
sample
a Nanosurf logo was etched 
using local oxidation of 
titanium
	AFM - (Microscopia de força atômica) 
	Histórico
	Scanning Tunneling Microscope (STM)
	Histórico
	Histórico
	Modos de operação do AFM (Modo Contato ou Estático)
	Modo de Força Lateral (Modo de Contato)
	Modo de Força Dinâmica (Tapping Mode)
	Aplicações do AFM em micro e nanoeletrônica
	Microscopia de Força Atômica Condutiva (C-AFM)
	Microscopia de Força Atômica Condutiva (C-AFM)
	Microscopia de força piezoelétrica (PFM)
	Microscopia de força piezoelétrica (PFM)
	Microscopia de força eletrostática (EFM)
	Microscopia de força com sonda Kelvin (KPFM)
	Microscopia de Força Magnética (MFM)
	Outras aplicações do AFM em Nanoeletrônica�Nanolitografia e Nanomanipulação�