Bevaring eller riving?

AFM e MFM são dois diferentes tipos das técnicas de microscopia de varredura por sonda, em que uma ponta de sondagem varre a amostra a fim de formar uma imagem de sua superfície, tipicamente em dimensões micro ou nanométricas. A imagem obtida por estas técnicas pode ser entendida em muitos aspectos como uma consequência das interações entre a superfície da amostra e a ponta de sondagem. Existe uma grande variedade de causas para estas interações, tais como (DANTAS et al., 2012): (i) forças de polarização, forças eletrostáticas, forças de contato mecânico ou forças de van der Waals entre outras para a AFM; e (ii) forças magnéticas para a MFM.

Figura III.4.1. Representação esquemática do princípio de operação do AFM/MFM (Catálogo do

SPM-9600 – Shimadzu).

A Figura III.4.1 ilustra esquematicamente o princípio de operação do AFM/MFM com os seguintes componentes básicos: (i) Scanner do tubo piezo, um mecanismo que é

controladamente deslocado em escalas micrométricas (nas direções X, Y e Z) quando uma voltagem é aplicada entre seus eletrodos; (ii) Cantilever, uma estrutura flexível com uma extremidade livre onde a “Ponta de Sondagem” é fixada; (iii) Laser diodo, cujo feixe é focalizado (por lentes e divisor de feixe) sobre a extremidade livre do Cantilever (parte de trás), que reflete o feixe em direção ao Espelho e o Fotodetector; (iv) Fotodetector, onde as variações na posição do feixe refletido são relacionadas às deflexões no Cantilever. Na AFM, estas deflexões são diretamente causadas por mudanças na altura da amostra, enquanto que na MFM é um resultado das interações entre as magnetizações da ponta e da amostra.

Nas medidas AFM a qualidade da imagem pode ser diminuída devido à presença de artefatos, que podem ser provocados por vários fatores, entre eles: (i) ponta de sondagem com tamanho e forma inapropriados para as dimensões que estão sendo analisadas; (ii) características específicas da amostra investigada; e (iii) configuração de operação inadequadas ou calibração. Mesmo embora seus efeitos possam ser minimizados por vários métodos, estes artefatos de imagem não podem ser evitados.

A Figura III.4.2 ilustra um tipo específico de artefato da imagem AFM que é comum para nanopartículas, quando o nanocristal (NC) é relativamente menor do que a ponta de sondagem. Na Figura III.4.2a, uma vez que uma parte da nanopartícula está inserida dentro da superfície vítrea da amostra, a altura do NC pode ser assumida como sendo equivalente ao seu raio R. Em contraste, na Figura III.4.2b, a altura do NC corresponde ao seu diâmetro D = 2 R pois a nanopartícula está depositada sobre a superfície de um substrato. Nós podemos claramente observar que o artefato da imagem é um resultado de efeitos de convolução entre a ponta de sondagem e o NC, de acordo com a trajetória descrita pela extremidade da ponta, durante o escaneamento do lado esquerdo para o direito como indicado pelas setas na Figura III.4.2. Como um resultado, a imagem de um NC esférico é comparável a uma lente convexa, um efeito que pode ser reduzido (mas não completamente removido) ao utilizar uma ponta de sondagem ultrafina. Em outras palavras, é interessante notar que este artefato de imagem ocorre somente na direção do plano X-Y, mas não na direção Z vertical. Por exemplo, quando medimos nanopartículas globulares (esféricas) com um diâmetro conhecido de 2 nm, é normal encontrar características na imagem AFM tendo 2 nm de altura mas 10–20 nm de largura (EATON and WEST, 2010; VALLIERES et al., 2007; ABDELHADY et al., 2005; MARGEAT et al., 1998). Assim, o recurso coerente a fim de avaliar o tamanho das nanopartículas é a medida na direção Z vertical da imagem AFM, que não é influenciada pelos mencionados efeitos de convolução.

Figura III.4.2. Representação esquemática de um artefato da imagem AFM que é causado por efeitos

de convolução entre a ponta de sondagem e o nanocristal (NC). No painel (a), uma parte do NC esférico está inserida dentro da superfície vítrea, em que sua altura é equivalente ao raio R. No painel (b), o NC esférico está depositado sobre a superfície de um substrato, de maneira que sua altura corresponde ao diâmetro D = 2 R (DANTAS et al., 2012).

Usualmente, as medidas AFM são realizadas em conjuntos (ensembles) de nanopartículas aproximadamente esféricas, de maneira que a partir da distribuição de altura na imagem é possível avaliar o tamanho médio dos NCs: (i) raio médio R dos NCs inseridos dentro da superfície vítrea, como mostrado na Figura III.4.2a; ou (ii) diâmetro médio D dos NCs depositados sobre a superfície do substrato, como ilustrado na Figura III.4.2b. A fim de obter estas medidas de altura, uma variedade de modos vem sendo desenvolvidos, podendo ser dividido em modos que medem a deflexão estática do cantilever do AFM e aqueles que medem a oscilação dinâmica do cantilever (EATON and WEST, 2010).

Neste contexto e como uma variante da AFM, a técnica MFM utiliza uma ponta de sondagem magnetizada com uma oscilação dinâmica do cantilever em uma elevação constante a partir da superfície da amostra. Assim, o momento magnético total de cada nanopartículas (localizada próximo da superfície da amostra) pode interagir com a ponta do MFM causando deflexões adicionais no cantilever. Consequentemente, a fase e a amplitude

de oscilação do cantilever são alteradas, permitindo a formação de imagens baseadas nas informações magnéticas obtidas para a superfície da amostra. Este processo é representado na Figura III.4.3 para NCs com tamanhos diferentes inseridos em uma superfície vítrea, onde o momento magnético total de cada nanoestrutura formada por um semicondutor magnético diluído (DMS) é assumido ser bem definido como ilustrado pelos polos magnéticos Norte (N) e Sul (S). Estes polos magnéticos são também usados para representar a orientação da magnetização da ponta: (S) na base da ponta próxima do cantilever; e (N) na extremidade da ponta próximo da superfície da amostra. A Figura III.4.3 mostra as forças magnéticas (atrativa ou repulsiva) entre a ponta magnetizada e dos NCs DMS, cuja convolução entre seus momentos magnéticos produzem o contraste característico na imagem MFM.

Figura III.4.3. Processo esquemático da formação da imagem MFM em NCs DMS com diferentes

tamanhos e inseridos em uma matriz vítrea. A presença da magnetização em cada nanopartícula, bem como na ponta de sondagem, é representada pelos polos magnéticos: Norte (N) e Sul (S) (DANTAS et al., 2012).