Cenni storici e sviluppo della Microscopia a Forza Atomica

La microscopia a sonda in scansione (Scanning Probe Microscopy, SPM) è il risultato di un lungo processo evolutivo che affonda le radici nel tentativo di andare oltre la barriera di Abbe che pone un limite alla risoluzione ottenibile tramite microscopia ottica.

Un passo avanti è stato fatto grazie alle tecniche di ottica elettronica e quindi con l’invenzione dei microscopi elettronici in trasmissione e in scansione (Transmission Electron Microscope TEM, Scanning Electron Microscope SEM) il primo dei quali messo a punto da Ernst Ruska nel 1934. Negli stessi anni (E. M. Synge, 1928 ed in seguito J. A. O’Keefe, 1950) è stata concepita l’idea di realizzare una sorgente di luce di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda della radiazione utilizzata, che venisse utilizzata come sonda per la scansione della superficie in analisi: lavorando in campo prossimo (Scanning Near-field Optical Microscopy) si otterrebbero immagini della superficie in sovrarisoluzione.

Il concetto venne dimostrato sperimentalmente da Ash nel 1972 ottenendo una risoluzione di 150 µm utilizzando ultrasuoni di lunghezza d’onda di 3 cm (microonde). Il problema di posizionare e muovere con precisione nanometrica una eventuale sonda è stato risolto nello stesso periodo con lo sviluppo degli attuatori piezoelettrici.

Il capostipite della famiglia dei microscopi a sonda in scansione è nato nei primi anni '80 con l'invenzione del microscopio a scansione a effetto tunnel (Scanning Tunneling Microscope, STM) da parte di Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, premiati con il premio Nobel per la fisica nel 1986 insieme a Ernst Ruska. Nello stesso anno, un importante passo avanti è stato fatto con l'invenzione del microscopio a forza atomica (Atomic Force Microscope, AFM) da parte di Gerd Binning, Calvin Quate e Christoph Gerber, da allora queste tecnologie continuano a rivoluzionare la caratterizzazione e le misure su scala nanometrica. Oggi l'AFM è il tipo più popolare di SPM, facendo sì che la terminologia di AFM e SPM sia spesso usata come sinonimo. Nel caso dell'AFM, la sonda è un cantilever, generalmente con una punta alla sua estremità libera. La superfamiglia di sonde SPM può anche includere semplici fili di metallo (tipica dell’STM) o fibre ottiche (utilizzate per la microscopia ottica a scansione in campo prossimo SNOM/NSOM).

Oggi l'SPM comprende un'ampia varietà di metodi in cui la sonda interagisce con il campione in modi diversi per caratterizzare varie proprietà dei materiali. L'AFM può caratterizzare una vasta gamma di proprietà meccaniche (ad esempio adesione, elasticità, attrito, dissipazione), proprietà elettriche (ad esempio forze elettrostatiche, potenziale, corrente, capacità, impedenza), proprietà magnetiche e proprietà spettroscopiche ottiche. Oltre all'imaging, la sonda AFM può essere usata per manipolare, eseguire pattern litografici e in esperimenti di manipolazione molecolare.

Grazie alla sua flessibilità, il microscopio a forza atomica è diventato uno strumento di uso comune per la caratterizzazione dei materiali insieme alla microscopia ottica ed elettronica, raggiungendo risoluzioni fino alla scala nanometrica e oltre. L'AFM può operare in ambienti che vanno dall'ultra-alto vuoto ai fluidi, e quindi attraversa tutte le discipline, dalla fisica alla biologia e dalla chimica alla scienza dei materiali.

Misura di singoli strati di grafite su un campione di HOPG

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Dr. Stefano Pergolini
Dr. Stefano Pergolini

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