La microscopía de fuerza electrostática ( EFM ) es un tipo de microscopía dinámica de fuerza atómica sin contacto donde se prueba la fuerza electrostática. ("Dinámico" aquí significa que el voladizo está oscilando y no hace contacto con la muestra). Esta fuerza surge debido a la atracción o repulsión de cargas separadas . Es una fuerza de largo alcance y puede detectarse a 100 nm o más de la muestra.
Medida de fuerza
Por ejemplo, considere una punta en voladizo conductora y una muestra que están separadas una distancia z generalmente por un vacío. Una batería externa aplica un voltaje de polarización entre la punta y la muestra que forma un condensador, C , entre los dos. La capacitancia del sistema depende de la geometría de la punta y la muestra. La energía total almacenada en ese capacitor es U = ½ C⋅ΔV 2 . El trabajo realizado por la batería para mantener un voltaje constante, ΔV , entre las placas del capacitor (punta y muestra) es -2U . Por definición, tomando el gradiente negativo de la energía total U total = -U da la fuerza. El componente z de la fuerza (la fuerza a lo largo del eje que conecta la punta y la muestra) es así:
- .
Dado que ∂C ⁄ ∂z <0, esta fuerza siempre es atractiva. La fuerza electrostática se puede probar cambiando el voltaje, y esa fuerza es parabólica con respecto al voltaje. Una nota a tener en cuenta es que ΔV no es simplemente la diferencia de voltaje entre la punta y la muestra. Dado que la punta y la muestra a menudo no son del mismo material y, además, pueden estar sujetas a cargas atrapadas, escombros, etc., existe una diferencia entre las funciones de trabajo de los dos. Esta diferencia, cuando se expresa en términos de voltaje, se denomina diferencia de potencial de contacto, V CPD. Esto hace que el vértice de la parábola descanse en ΔV = V punta - V muestra - V CPD = 0 . Normalmente, el valor de V CPD es del orden de unos pocos cientos de milivoltios . Con este método se pueden detectar de forma rutinaria fuerzas tan pequeñas como piconewtons .
Microscopía de fuerza atómica sin contacto
Una forma común de microscopía de fuerza eléctrica implica un modo de operación AFM sin contacto . En este modo, el voladizo se hace oscilar a una frecuencia resonante del voladizo y la punta del AFM se sostiene de manera que solo detecta fuerzas electrostáticas de largo alcance sin entrar en el régimen de contacto repulsivo. En este régimen sin contacto, el gradiente de fuerza eléctrica provoca un cambio en la frecuencia de resonancia del voladizo. Las imágenes EFM se pueden crear midiendo la oscilación del voladizo, la fase y / o el cambio de frecuencia del voladizo en respuesta al gradiente de fuerza electrostática.
Inmersión
Con un microscopio de fuerza electrostática, como el microscopio de fuerza atómica en el que se basa, la muestra puede sumergirse solo en líquido no conductor, porque los líquidos conductores impiden el establecimiento de una diferencia de potencial eléctrico que causa la fuerza electrostática detectada.
Ver también
- Microscopía de fuerza de sonda Kelvin : una técnica de microscopía de sonda de barrido muy similar a EFM, excepto con énfasis en la medición de V CPD .
- Microscopía de fuerza magnética : una técnica relacionada y similar que mide gradientes de fuerza magnética en lugar de gradientes de fuerza electrostática.
Referencias
- L. Kantorovich, A. Livshits y M. Stoneham, J. Phys.:Condens. Materia 12, 795 (2000) .
- "Microscopio de fuerza electrostática para sondear cargas superficiales en soluciones acuosas" por S. Xu y MF Arnsdorf, PNAS 92 (1995) 10384