Caracterización de superficies de oro y mica mediante técnicas de

Caracterización de superficies de oro y mica
mediante técnicas de STM Y AFM
Bajales Luna, Noelia1 - Custidiano, E. R.1 - Calvo, E. J.2
1.Laboratorio de Electroquímica - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura - UNNE.
Campus Universitario - Av. Libertad 5500 - (3400) Corrientes - Argentina.
E-mail: [email protected]
2.Laboratorio de Electrónica Molecular - INQUIMAE - Facultad de Ciencias Exactas - UBA.
Ciudad Universitaria - Pabellón Nº 2 - (1428) Buenos Aires - Argentina.
E-mail: [email protected]
INTRODUCCION
El auge actual de los nuevos conceptos de nanotecnología y electrónica molecular hace necesaria la integración
de conocimientos de las diferentes disciplinas científicas para el estudio de un sistema complejo y el empleo de
técnicas que permitan describir dicho sistema. Un biosensor es un ejemplo concreto de sistema integrado, de
gran interés y aplicación en diversas áreas, como por ejemplo medicina y ciencias ambientales.
El biosensor constituye la integración de un sistema biológico (e.g. enzima) sensible a un analito con un
sistema químico que transduce esa interacción en una señal eléctrica, óptica o mecánica. Dentro de las últimas
estrategias se destaca la utilización de enzimas autoensambladas sobre un electrodo.
La superficie del electrodo soporte debe reunir ciertas características para que pueda llevarse a cabo la
interacción con el sistema biológico en forma efectiva, y en consecuencia, deben aplicarse técnicas que permitan
evaluar y analizar distintas topologías.
Las técnicas para estudiar superficies han experimentado un gran avance. Este hecho permite estudiar un
sistema químico ordenado caracterizando su morfología y composición. En este sentido, las técnicas de
microscopía de efecto túnel (STM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) son rutinarias en el laboratorio (13) y aportan información necesaria para conocer la topografía de superficies, tanto conductoras como no
conductoras.
Con este trabajo se pretende conocer la técnica de microscopía túnel y microscopía de fuerza atómica, y
aplicarlas en la caracterización de superficies conductoras (oro policristalino y flameado) y no conductoras
(mica).
MATERIALES Y METODOS
1) Método: Microscopía túnel (STM)
Objetivo: Obtener la topología de muestras conductoras eléctricamente con el microscopio de efecto túnel.
Materiales:
•
•
Microscopio túnel
Sustrato: oro flameado y policristalino
Procedimiento:
Se aplica una diferencia de potencial que provoca la circulación de una corriente que depende de la distancia
existente entre la punta conductora y la superficie de la muestra.(4)-(6)
Gráfico:
Expresión de la corriente: I = GV e-EKd
Punta
Muestra
d
V
e-
El sustrato de material conductor estudiado es oro flameado y policristalino.
Según el tipo de variable tratada, la medición se realiza :
a) a corriente constante y distancia variable ( para el estudio de corrosión en las muestras )
b) a distancia constante y corriente variable
Según el tipo de punta conductora se tiene:
a) de platino (80%) - iridio (20%)
b) en el caso de la punta de tungsteno, presenta la característica que se oxidan rápidamente. Se utiliza un
procedimiento especial para obtener puntas más delgadas.
Según el medio que rodea a la muestra, la medición se realiza:
a) en aire: la punta se corta a 45º y solo ocurre efecto túnel
b) en líquido: para el estudio de la electroquímica simultánea a la observación del efecto túnel( proceso de
corrosión absorción, adsorción, oxidación). Se usa una punta con geometría diferente a la utilizada en aire
y un material no conductor para envolver a la punta, por ejemplo, barniz.
Para la calibración del microscopio se utiliza grafito.
La medición se efectúa mediante el programa de manejo del microscopio y el procedimiento consiste de dos
partes:
a)
•
•
•
•
•
•
b)
procesamiento de imágenes:
se apaga la cabeza siguiendo las siguientes instrucciones: FILE-EDIT-MODE-HEAD OFF
se ingresa al SETUP y se resetea la memoria con : REST STAGE-OK
se prepara la cabeza con Z-HEAD-RESET-DONE-CLOSE
se configuran los parámetros, según el modelo del microscopio y el modo de operación. En este caso se
selecciona la opción :STM.
Se realiza una aproximación de la punta conductora a la muestra, según la distancia o la corriente que se
quiere medir, mediante las instrucciones: APPROACH. Los valores ingresados son : 20 nm, 1Hz, 05 nA,
0,2V.
Se configura el error de señal (diferencia entre el valor fijado de corriente túnel y valor medido) y la
topografía para la obtención de imágenes de la muestra; la topografía se obtiene con corriente constante y el
error de señal con distancia constante.
adquisición de datos
2) Método: Microscopía de Fuerza atómica (AFM)
Objetivo: Obtener la topografía de una muestra de mica (superficie no conductora)
Materiales:
• Microscopio de fuerza atómica
• Sustrato: mica
Procedimiento:
Para obtener mejor resolución en el procesamiento de imágenes se utilizan superficies limpias, no oxidables en
ultravacío.(4 )-(6)
El sustrato estudiado es una muestra de mica.
Existen tres zonas de trabajo:
a) no contacto (fuerzas de atracción)
b) contacto (fuerzas de repulsión)
c) intermitente (fuerzas de repulsión y fuerzas de atracción)
El presente microscopio solo trabaja en modo contacto.
La medición puede ser:
a) a fuerza constante, desplazamiento variable
b) a fuerza variable, desplazamiento constante
Se pueden sensar todo tipo de fuerzas (Van der Waals, dipolo-dipolo, electrostática, etc.)
La ecuación que gobierna tanto los cambios de fuerza como los cambios de posición es: F =-kx.
La variación de fuerza se mide mediante un desplazamiento que se produce en un proceso de triangulación. En
este proceso un láser alineado es sensible al movimiento efectuado y su base es una capa de oro que refleja la
luz, la cual es captada por un detector de posición, en función del cual se realiza la medición de variación de
fuerza.
Cuando se realiza una medición a desplazamiento constante, se mantiene la punta del microscopio en reposo, se
desplaza la muestra manteniendo una distancia determinada respecto de la punta y se registran cambios de
fuerza. En este caso el sistema de retroalimentación no funciona y se tiene una ganancia baja .
Cuando la medición es a fuerza constante, la muestra se mueve, alejándose o acercándose de la punta y se
registran cambios de posición. Se trabaja con retroalimentación y se obtiene una ganancia alta.
Para la señal de error medida con altura constante, se tiene una ganancia baja(0,1).
Para la topografía a fuerza constante , se tiene una ganancia alta(1).
Para la calibración del microscopio se considera el tamaño de las muestras:
a) muestras pequeñas: se utiliza una red de difracción con 1µm de separación
b) muestras grandes: se utilizan láminas de mica.
Para el procesamiento de imágenes y la adquisición de datos se utiliza el software de manejo del AFM, en forma
análoga al STM, pero en modo AFM .
RESULTADOS
Método : STM y AFM
Se obtuvo la imagen I para oro flameado con el microscopio túnel (Laboratorio de Electrónica MolecularFacultad de Ciencias Exactas-UBA).
Imagen I
Oro flameado:PLANO 111
En la figura 1 se observa la imagen del plano de Miller con índices 111, para oro flameado, obtenida con
STM.
Se destaca la forma de la superficie del oro flameado, la cual presenta estructuras triangulares solapadas,
obtenidas con una resolución del orden de 1000A.
Imagen II: ORO FLAMEADO-MODO ERROR
Imagen IV
Imagen III
Imagen V
En la figura II se observa la imagen obtenida para la señal de error, con resolución de una micra, para oro
flameado utilizando AFM.
En la figura III se observa una imagen de oro policristalino obtenida con AFM, con resolución de una micra.
No es posible identificar la forma de la unidad estructural en la superficie.
En la figura IV se observa la imagen por AFM para la señal de error, también con una resolución del orden de
una micra.
En la figura V se tiene la superficie de una muestra de mica obtenida con AFM y con una resolución de 40A.Es
posible observar la forma hexagonal de las unidades estructurales .
CONCLUSION
Se aplicaron las técnicas de AFM y STM y se obtuvieron las imágenes para superficies de oro policristalino,
flameado y mica.
Se observó que las imágenes obtenidas por STM tienen mayor resolución que aquellas procesadas con AFM.
El microscopio túnel tiene resolución atómica, para muestras conductoras y resolución molecular, para el
estudio de la orientación de las moléculas en la superficie respecto del sustrato base; en este caso, se obtuvo la
topología para el plano 111 de oro flameado, el cual tiene estructura triangular. A partir de esta topografía, se
pueden realizar estudios sobre las causas de la disposición triangular en oro flameado.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Multilayer sel-assembled bioelectrode for amperometric immunoassay, E.J.Calvo, C.Danilowicz, M.Otero ,
INQUIMAE, Facultad de Ciencias Exactas, UBA.
The role of intermolecular interactions on the stability of w-functionalized Aalkylthiol self-assembled
monolayers at electrochemical interfaces, O.Azzaroni, INIFTA, La Plata.
Electrodeposition of Nanostructured mesoscopic magnets onto monocrystalline silicon, C.A. Moina, Centro
de investigación y desarrollo en Electrodeposición y procesos superficiales,Buenos Aires.
www.park.com
www.molec.com/educ/review1/review.html
Curso para el manejo de STM Y AFM -Facultad de Ciencias Exactas -UBA.