Microscopía conductiva de fuerza atómica

La microscopía de fuerza atómica conductiva ( C-AFM ) o microscopía de fuerza atómica con detección de corriente (CS-AFM) es un modo en microscopía de fuerza atómica (AFM) que mide simultáneamente la topografía de un material y el flujo de corriente eléctrica en el punto de contacto de la punta. con la superficie de la muestra. La topografía se mide detectando la deflexión del voladizo mediante un sistema óptico (láser + fotodiodo), mientras que la corriente se detecta mediante un preamplificador de corriente a tensión. [1]El hecho de que el CAFM utilice dos sistemas de detección diferentes (óptico para la topografía y preamplificador para la corriente) es una gran ventaja en comparación con la microscopía de túnel de barrido (STM). Básicamente, en STM, la imagen de la topografía se construye en función de la corriente que fluye entre la punta y la muestra (la distancia se puede calcular en función de la corriente). Por lo tanto, cuando se escanea una parte de una muestra con un STM, no es posible discernir si las fluctuaciones actuales están relacionadas con un cambio en la topografía (debido a la rugosidad de la superficie) o con un cambio en la conductividad de la muestra (debido a factores intrínsecos). inhomogeneidades).

El CAFM generalmente se opera en modo de contacto; la punta se puede mantener en una ubicación mientras se aplican / leen las señales de voltaje y corriente, o se puede mover para escanear una región específica de la muestra bajo un voltaje constante (y se recolecta la corriente). Recientemente, algunos fabricantes ofrecen la opción de medir la corriente en modo semicontacto. [2] El CAFM fue desarrollado por primera vez por Sean O'Shea y compañeros de trabajo en la Universidad de Cambridge en 1993, [3] y en la literatura se lo menciona con varios nombres, incluido C-AFM, AFM de conductividad local ( LC-AFM), sonda conductiva AFM (CP-AFM), microscopía de sonda de exploración conductiva (C-SPM) o microscopía de fuerza de exploración conductiva (C-SFM), aunque CAFM es la más extendida.

Para transformar un AFM en un CAFM, se requieren tres elementos: i) la punta de la sonda debe ser conductora, ii) se necesita una fuente de voltaje para aplicar una diferencia de potencial entre la punta y el portamuestras, y iii) un preamplificador es se utiliza para convertir la señal de corriente (analógica) en voltajes (digitales) que pueden ser leídos por la computadora. [1] En los experimentos CAFM, la muestra suele fijarse en el portamuestras mediante una cinta o pasta conductora, siendo las pinturas plateadas las más extendidas. [4] Una jaula de Faraday también es conveniente para aislar la muestra de cualquier interferencia eléctrica externa. Usando esta configuración, cuando se impone una diferencia de potencial entre la punta y la muestra, se genera un campo eléctrico, que da como resultado una corriente neta que fluye de punta a muestra oviceversa . Las corrientes recogidas por el CAFM obedecen a la relación:

Mapas topográficos (izquierda) y actuales (derecha) recopilados con CAFM en una pila de HfO2 policristalino. Las imágenes muestran una muy buena correlación espacial.
Visualización de filamentos conductores en películas delgadas de HfO2 para memorias RRAM vía CAFM.
Número de publicaciones y citas referidas a CAFM por año hasta el 14 de junio de 2016 (fuente Web of Science)
(Izquierda) Nanoonda estándar barnizada en metal para CAFM. (Derecha) Nanoonda estándar barnizada en metal para CAFM recubierta con una fina película de grafeno de una sola capa. (Centro) Esquema de la nanosonda recubierta de grafeno.
Esquema de un preamplificador básico de corriente a voltaje para CAFM.