60ª Reunião Anual da SBPC

INTRODUÇÃO:

As potencialidades do microscópio de varredura de força (SFM) podem ser exploradas em varia modalidades operacionais. O contraste atômico da escala obtido em imagens no modo contato quando a ponta de prova desliza na superfície da amostra [2-6] produz interações simétricas nas modulações reais do espaço coincidentes com as da superfície da amostra. Neste trabalho propomos que os padrões com resolução atômica podem estar associados a outro possível mecanismo para gerar periodicidades em escalas nanométricas.

METODOLOGIA:

Os experimentos foram realizados utilizando uma célula com líquido e um microscópio de força atômica comercial da TopoMetrix modelo TMX 2000. Nesses experimentos o braço de medida (cantilever) tem uma constante de mola vertical baixa (0,03 N/m) e que corresponde a uma sensibilidade vertical de força abaixo de 3,0 pN; conseqüentemente, havia uma rigidez comparativamente baixa ao longo da direção normal a superfície (z) de 0,03 N/m e uma rigidez elevada à constante lateral da mola devido à forma triangular do cantilever. Uma ponta de prova (tip) de Si₃N₄ era arrastada para frente e para trás fazendo uma varredura sobre uma superfície de mica clivada e foram realizadas medidas no ar e na água. Todos os experimentos foram realizados a temperatura ambiente numa câmara fechada com umidade relativa do ar de 60%. A força normal aplicada no cantilever foi mantida constante em ~10 nN o que reduziu a vibração térmica de 3,7 Å para ~0,2 Å [7].

RESULTADOS:

Para compreender a origem do movimento de sobe e desce do tip analisamos o sinal elétrico aplicado ao transdutor piezelétrico durante a varredura. O deslocamento do piezo esta associado à digitalização da tensão aplicada durante a varredura. Um potencial em degraus com valores de tensão ∆V corresponde a um deslocamento do tip. A componente padrão do deslocamento pode ser obtida pela transformada de Fourier que transforma a função dos valores de tensão em componentes indicadas por k, 2k, 3k onde k = 1/a. Existe então uma freqüência espacial com periodicidade de ~1,31 Å imposta pelo sinal elétrico quando se varre a amostra no sentido X ou Y e um periodicidade espacial de 1,31x2^1/2 para varreduras simultâneas nos sentidos de X e Y correspondendo a uma varredura de 45^o com o eixo do cantilever. A última questão que nos preocupa é a origem da força de sobe e desce do tip. A força deve estar associada com uma região comum da interação, isto é, o líquido entre o tip e a amostra. Para um cantilever imerso em água é possível calcular a força que age no tip usando nosso recente trabalho [8] onde mostramos que há uma força dielétrica de troca que atua no tip quanto este é imerso na dupla camada (água/mica). Ela esta associada com a troca da permissividade dielétrica (ε) do volume do tip (ε_tip ~7) pelo da agua (4 < ε < 70) na dupla camada. A expressão da força é dada pela equação ∆F_z = -(ε₀/2)(∂/∂_z) ∫ (ε_tip - ε_agua)Ē² dv onde o volume (dv) esta associado com a imersão do tip na dupla camada e z é a direção normal em relação a superfície da mica.

CONCLUSÕES:

O padrão observado durante a aquisição da imagem por AFM com resolução atômica mostra que o mesmo foi gerado pelo deslocamento horizontal do tip induzido por uma mudança na permissividade dielétrica interfacial da água. O processo pode ser resumido como segue: O derretimento da estrutura interfacial da água (ε_agua ≈80) induzido pela varredura do tip é seguido por um processo envolvendo a reorientação da estrutura da água (ε_agua ≈4) e o valor da tensão (tempo de idle do transdutor piezelétrico). Para ε_agua≈80 o tip esta imerso de forma a minimizar a distribuição da energia desde ε_tipE² < ε_aguaE² até enquanto houver emersão estacionária do tip. A amplitude dos componentes espaciais, observadas durante a varredura padrão, foi alterada pela adição de sais à solução que são conhecidos por modificarem a permissividade dielétrica interfacial. _{References
[1]- C. M. Mate, G. M. McClelland, R. Erlandsson, and S. Chiang, Phys. Rev. Lett. 59, 1942 (1987).
[2]- R. W. Carpick, and M. Salmeron, Chem. Rev. 97, 1163 (1997).
[3]- H. Holscher, U. D. Schwarz, O. Zworner, and R. Wiesendanger, Phys. Rev. B 57, 2477 (1998).
[4]- M. Ishikawa, S. Okita, N. Minami, and K. Miura, Surf. Sci. 445, 488 (2000).
[5]- H. Holscher, U. D. Schwarz, and R. Wiesendanger, Europhys. Lett. 36, 19 (1996).
[6]- K. L. Johnson, and J. Woodhouse, Tribology Lett. 5, 155 (1998).
[7]- E. Meyar, R. M. Overney, K. Dransfeld, and T. Gyalog, Nanoscience (World Scientific Co., Singapore, 2002), Chap. 9, pp. 337.
[8]- O. Teschke, G. Ceotto and E. F. de Souza, App. Phys. Lett. 78, 3064 (2001).}

Instituição de fomento: CNPq (523.268/95-5) and FAPESP (03/12.529-4).

Palavras-chave: padrões em escala atômica, microscopia de força atômica, constante dielétrica interfacial

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