Explique o princípio de funcionamento de
Passo 1
O enunciado pede para explicarmos o princípio de funcionamento da Microscopia de Força Atômica (AFM). O conteúdo envolve mecânica de materiais em escala nanométrica (principalmente a Lei de Hooke para pequenas deflexões de flexíveis), forças de interação superfíciais (van der Waals, repulsão eletrônica etc.) e técnicas ópticas de detecção de deslocamento. Para entender o AFM, vamos precisar conhecer:
- A construção básica de um microscópio de força atômica (cantilever com ponta, sistema de varredura, laser e fotodetector).
- Como as forças entre a ponta e a amostra provocam deflexão no cantilever.
- Como essa deflexão é medida e convertida em sinal elétrico.
- O laço de realimentação (feedback) que mantém a força constante e permite mapear a topografia.
Passo 2
Descrição física do equipamento:
• Um cantilever flexível, geralmente de silício ou nitreto de silício, com uma ponta ultrafina (de raio tipicamente 1–10 nm) na sua extremidade.
• Um feixe de laser focalizado na face superior do cantilever.
• Um fotodetector de quadrantes que capta a posição do feixe refletido.
• Um scanner piezoelétrico que desloca a amostra (ou o cantilever) nas direções ,
e
com resolução subnanométrica.
• Um cantilever flexível, geralmente de silício ou nitreto de silício, com uma ponta ultrafina (de raio tipicamente 1–10 nm) na sua extremidade.
• Um feixe de laser focalizado na face superior do cantilever.
• Um fotodetector de quadrantes que capta a posição do feixe refletido.
• Um scanner piezoelétrico que desloca a amostra (ou o cantilever) nas direções
Passo 3
Interação ponta–amostra e deflexão do cantilever:
Quando a ponta se aproxima da superfície, surgem forças de curta distância (van der Waals atrativas e forças repulsivas de Pauli). Essas forças exercem um torque no cantilever, defletindo-o. Para pequenas deflexões , a reação do cantilever obedece à Lei de Hooke:
Quando a ponta se aproxima da superfície, surgem forças de curta distância (van der Waals atrativas e forças repulsivas de Pauli). Essas forças exercem um torque no cantilever, defletindo-o. Para pequenas deflexões
onde
é a constante elástica do cantilever e
a força resultante da interação ponta–amostra.
Passo 4
Medição óptica da deflexão e geração de sinal:
O feixe de laser incide sobre o topo do cantilever e reflete para o fotodetector de quadrantes. Uma deflexão vertical faz o feixe deslocar-se entre quadrantes, gerando uma diferença de corrente proporcional a . Esse sinal elétrico é amplificado e usado para avaliar a força instantânea
.
O feixe de laser incide sobre o topo do cantilever e reflete para o fotodetector de quadrantes. Uma deflexão vertical faz o feixe deslocar-se entre quadrantes, gerando uma diferença de corrente proporcional a
Passo 5
Sistema de realimentação e construção da imagem:
Para manter a força (ou a amplitude de oscilação, no modo intermitente) constante, um circuito de feedback ajusta a tensão no piezoelétrico que controla a altura da amostra. Registrando o deslocamento em
em cada posição
, obtém-se um mapa topográfico da superfície com resolução atômica ou próxima disso.
Para manter a força (ou a amplitude de oscilação, no modo intermitente) constante, um circuito de feedback ajusta a tensão no piezoelétrico que controla a altura
Resposta
O AFM funciona detectando a deflexão de um cantilever causada pelas forças entre sua ponta e a amostra, medindo essa deflexão por reflexão de um laser em um fotodetector de quadrantes, e mantendo a força constante por meio de um sistema de realimentação que ajusta a posição vertical. Assim, o deslocamento controlado em
para cada ponto
gera a topografia da superfície com altíssima resolução.