Multidimensional force spectroscopy for nanoscale characterization of electrostatic and dispersion interactions

Resumen

Espectroscopía de fuerzas multidimensional para la caracterización en la nanoescala de las interacciones electrostática y de dispersión La interacción entre la punta y la muestra es el principio físico fundamental en el que se basa el funcionamiento del AFM. Es a través del análisis de esta interacción que el AFM puede acceder a las diferentes propiedades de las muestras en las que se emplea. Son muchas, y de muy diferente naturaleza, las contribuciones a la interacción total existente entre la punta y la muestra. Fuerzas elásticas, capilares, de dispersión, electrostáticas o magnéticas son algunas de las que suelen estar presentes en nuestros experimentos y contribuir a la interacción total efectiva entre la punta y la muestra. Todas ellas actúan de forma conjunta y, por lo tanto, es necesario y fundamental desarrollar técnicas experimentales que sean capaces de discernir entre las diferentes contribuciones. En este punto radica precisamente el objetivo de esta tesis: desarrollar una técnica experimental que, de forma cuantitativa, sea capaz de caracterizar dos de las contribuciones más interesantes a la interacción total entre la punta y la muestra: las interacciones electrostática y de dispersión. Una técnica así, que sea capaz de caracterizar las superficies a través de propiedades químicas como la diferencia de potencial de contacto (CPD), la constante de Hamaker o la constante dieléctrica, dotaría al AFM de una habilidad novedosa para caracterizar e identificar químicamente las muestras en las que se emplea. Sería imposible, sin embargo, conseguir este objetivo sin abordar previamente otras consideraciones de carácter más técnico o metodológico. Tener una visión acertada de los fenómenos físicos que ocurren entre la punta y la muestra será fundamental, tanto a la hora de proponer y desarrollar los experimentos, como a la hora de analizar cuantitativamente los resultados que estos arrojen. Una parte del esfuerzo dedicado a este trabajo consistirá en identificar fenómenos físicos como la formación de cuellos líquidos y entender cómo afectan estos a la interacción y a los datos que recogemos en las medidas de AFM, nos dará la capacidad de operar el AFM de manera más controlada y evitando también las no linealidades asociadas a las interacciones disipativas. Introducimos lo que llamamos el modo true non-contact. Un modo de medida, generalmente operado usando el cambio de frecuencia como señal de control, que se caracteriza por amplitudes pequeñas de oscilación a una distancia de la muestra suficiente como para prevenir la formación de cuello capilares entre la punta y la muestra. Sólo en este caso, las únicas contribuciones a la interación total del sistema punta-muestra son la electrostática y la de dispersión. Para el empleo de esta técnica de caracterización de las interacciones electrostática y de dispersión ha sido imprescindible el uso de una técnica previa llamada imágenes de interacción. Además, es necesario desarrollar un programa que se encargue de las particularidades del análisis de los datos obtenidos mediante esta técnica y su posterior procesado y representación para la obtención de resultados cuantitativos. Haciendo uso de esta nueva técnica de caracterización de la interacción entre la punta y la muestra, en este trabajo somos capaces de reconstruir de forma precisa la interacción electrostática y la de dispersión y obtener de ellas propiedades características de los materiales como el CPD. De la comparación de ambas interacciones conseguimos además evitar la dependencia con la geometría de la punta y calcular la constante de Hamaker y la posición real de la superficie con respecto a la punta. El desarrollo de esta técnica ha supuesto, de forma paralela, un avance en el entendimiento de la interacción entre la punta y la muestra en AFM que ha conducido a una reclasificación de los modos de medida que creemos que será importante tener en cuenta para avanzar en la obtención de resultados cualitativos con las técnicas de AFM. Aplicamos esta técnica en dos experimentos diferentes. En el primero aplicamos la técnica descrita anteriormente a diferentes muestras conductoras y calculamos tanto el CPD que las caracteriza como la constante de Hamaker, encontrando valores reproducibles y diferencias entre los distintos materiales lo suficientemente significativas como para distinguir entre ellos. En particular, encontramos que una representación conjunta de ambas propiedades proporciona una capacidad novedosa hasta ahora de clasificar e identificar materiales. De un segundo trabajo se concluye que no sólo la contaminación en la punta, si no a veces también en la muestra, es difícil de visualizar y de detectar, pero es, sin embargo, muy importante y determina significativamente los resultados de AFM y su interpretación, demostrando que es importante tener superficies bien definidas al aire y que la contaminación es un factor a tener en cuanta a la hora de interpretar los resultados. Además, este método permite una caracterización simple, efectiva e in situ del sistema punta-muestra sin necesidad de sacar ni la punta ni la muestra del montaje experimental del AFM.