Concept Scientific Instruments ha sviluppato una modalità di misurazione alternativa denominata Soft Intermittent Contact mode (o Soft IC) che combina i vantaggi della modalità a contatto e della spettroscopia di forza ma preservando la misura dagli annessi inconvenienti, come le forze di attrito o la lentezza intrinseca.
La modalità Soft IC funziona in questa maniera:
- La punta è tenuta a una determinata distanza di sicurezza (indicata come «lift height») dalla superficie
- Si sposta rapidamente al punto di misurazione successivo (determinato dal numero di pixel dell'immagine)
- Quando raggiunge la posizione la punta si ferma
- Quindi esegue una curva di spettroscopia di forza.
La forza massima applicata viene impostata dall'utente con un valore di setpoint, in modo simile a quanto avviene con la modalità a contatto. Un altro vantaggio di Soft IC rispetto alla modalità a contatto è quello di evitare le instabilità dovute ai cambiamenti nella forza di adesione durante la scansione. Impostando un'altezza di sollevamento ("lift height") superiore alla forza di adesione, la punta può essere completamente disimpegnata dalla superficie. Ciò ha anche il vantaggio di poter utilizzare questa routine anche con cantilever più morbidi (che in genere presentano forze di adesione molto elevate) con la Soft IC. Inoltre, la rigidità e l'adesione possono essere calcolate direttamente da ogni punto misurato. La rigidità (cioè il rapporto tra la forza applicata e la deformazione del campione) può essere usata in combinazione con il modulo software Soft Mechanic per calcolare il modulo di Young.
- Proprietà meccaniche: adesione, rigidità, modulo di Young
- Forza costante = misura quantitativa
- Compatibile con: ResiScope, SThM, PFM, C-AFM ...
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Un esempio dei vantaggi di Soft IC è illustrato nella figura qui sotto (clic per ingrandire). Un campione di PS/PMMA è stato prima visualizzato in modalità contatto, con un cantilever rigido (k = 37 N/m, modello ACT prodotto da AppNano. La superficie mostra due fasi separate di isole PS (domini gialli) nascoste nella matrice PMMA (domini marroni) Sebbene la forza applicata (45 nN) non sia abbastanza elevata da produrre una deformazione permanente, sia le forze di adesione che quelle di attrito prodotte durante la scansione trascinano parti del PMMA su entrambe le isole PS e sui lati dell'area di scansione (punti bianchi lungo il blu quadrato tratteggiato nella Figura 2). La stessa forza è stata applicata usando la modalità Soft IC (quadrato rosso) aumentando l'altezza di sollevamento fino a 300 nm per evitare ogni forma di contatto della punta con la superficie. L'immagine in modalità Soft IC non mostra danni permanenti sul campione. La parte inferiore dell'immagine corrisponde alla misurazione in modalità tapping (quadrato tratteggiato verde), che non mostra alcun danno permanente. Tuttavia, in modalità tapping non è semplice dare il valore della forza applicata. Per le condizioni sperimentali utilizzate, si stima la forza media applicata attorno ai 38 nN.
In questa foto è visibile un esempio dell'applicazione della modalità Soft IC su un campione di polimero. Un campione di polidimehtylsiloxane (o PDMS) coperto con una griglia TEM è stato irradiato con luce ultravioletta (UV), creando così aree con diverse proprietà meccaniche. Le aree all'interno dei quadrati definiti dalla griglia TEM diventano più rigide a causa della reticolazione indotta dalla luce UV. La rigidità e l'adesione sono mostrate rispettivamente nelle Figg. a e b tramite cantilever FORT (AppNano, k = 1,7 nN, forza applicata di 80 nN). Come si può riscontrare nella Figura 3a, le aree PDMS (aree verdi) hanno una rigidità inferiore rispetto al PDMS reticolato (quadrati blu). Al contrario, l'adesione non evidenzia molte differenze. In entrambe le sezioni si può notare come l'istogramma dei valori nell'immagine mostri due picchi ben definiti per la rigidità, ma solo uno per l'adesione.
Il concetto di rigidità è spiegato in questa figura in cui sono rappresentate due curve di spettroscopia di forza su entrambe le regioni. Per un dato valore della forza applicata (setpoint di deflessione usato durante l'immagine) la rigidità è il rapporto forza/deformazione (cioè la pendenza attorno al valore di setpoint). Una maggiore rigidità implica una minore deformazione con la stessa forza applicata.
Legenda: Curve tra forza e deformazione sul campione PDMS di Fig. 3. L'intensità della rigidezza è il rapporto tra la forza applicata e la deformazione della superficie. Un materiale più rigido (curva blu all'interno del quadrato) ha una pendenza più elevata.
Soft IC è la modalità di misurazione adatta per identificare i composti nelle miscele di polimeri, grazie alle informazioni fornite su rigidità e adesione. Un esempio si può vedere su questo campione PS/PMMA nella foto qui sotto, visualizzato con una sonda ACT (k = 37 N / m, AppNano, Fsetpoint = 12 nN). L'immagine della topografia (Fig. 5 (a)) non mostra molti dettagli poiché la superficie è stata precedentemente lucidata; la rugosità è inferiore a 12 nm, ad eccezione di due canali profondi 10 nm su entrambi i lati dell'immagine (strisce di colore marrone scuro) e uno più piccolo intorno al centro.
L'adesione (Fig. 5 (b)) e la rigidità (Fig. 5 (c)) mostrano due fasi ben differenziate che possono essere abbinate a PS e PMMA. Nel caso della rigidità, le aree rosse (valori di rigidità più elevati) corrisponderebbero a PS, mentre le aree blu al PMMA. Nell'immagine di adesione, le aree arancioni (valori di adesione più elevati) corrisponderebbero al PMMA e le aree gialle al PS. Ancora più interessante, si può vedere che nei canali visibili nella topografia (aree marrone scuro) i valori di rigidità sono gli stessi per entrambi i canali. Tuttavia, i valori di adesione cambiano da un canale all'altro e sono diversi dai valori di PS e PMMA sulle aree pianeggianti. Ciò riflette il fatto che l'adesione può anche essere più sensibile all'area di contatto che è significativamente più elevata nei canali profondi rispetto alle parti piane. È anche interessante notare nella sezione dell'immagine relativa alla rigidità la presenza di alcune linee inclinate di PMMA sulle aree PS, presumibilmente piccole parti trascinate durante la preparazione della superficie.
La modalità Soft IC può essere utilizzata anche per caratterizzare non solo miscele polimeriche, ma anche diversi stati di fase all'interno dello stesso polimero. Nella figura sottostante sono mostrate la topografia (Fig a), le rigidità (Fig b) e l'adesione (Fig c) di una pellicola di pellicola PDES rivestita su substrato di silicio. È stato utilizzato un cantilever simile a quello del precedente esempio con una forza applicata di 17,8 nN. La morfologia di questo campione dovrebbe avere domini lamellari più rigidi circondati da fasi più morbide di amorfo.
Nella topografia si può apprezzare la presenza di due fasi differenziate da due altezze ben definite (aree marroni e aree gialle) con un'altezza media di 8,9 nm. Si notano nello strato che copre il centro dell'immagine delle linee orizzontali che possono rappresentare lamelle cristalline orizzontali come descritto in substrati simili in letteratura. Ai lati dell'immagine si possono notare droplet circolari con altezza simile, in linea di principio si possono prendere in considerazione due fasi diverse. Tuttavia, le informazioni ottenute con la rigidità (Fig. 6 (b)) e le mappe di adesione sembrano evidenziare tre diverse fasi con valore di rigidità crescente (rispettivamente blu, giallo e rosso).
Nella mappa di adesione le stesse 3 fasi sono definite diminuendo i valori di adesione (giallo, blu scuro e blu). Sembra quindi che il dominio centrale corrisponda a una lamella cristallina ben ordinata, le piccole goccioline ad una fase semi-cristallina e la matrice circostante (regioni blu nell'immagine di rigidità) a fase amorfa.
Soft IC consente di ottenere immagini ad alta risoluzione poiché le forze di attrito non hanno alcun influsso durante l'imaging e la forza massima può essere controllata in modo più accurato rispetto alla modalità tapping. Nell'immagine qui sotto, (a) e (b), due esempi su catene circolari di DNA e miscela di copolimero a blocchi PS/PMMA, imaging ottenuto con un cantilever ACT (k = 28,9 N / m, AppNano).
La Figura 7 (a) corrisponde alla topografia (dimensione dell'immagine 1,5 µm) ottenuta con una forza applicata di 2,9 nN. A questa forza le catene del DNA mostrano la geometria circolare attesa (diametro di circa 50 nm) con una risoluzione laterale di 8-10 nm, che consente di visualizzare anche la parte interna della catena.
Nella Figura 7 (b) è mostrata la topografia (dimensione dell'immagine 5 µm), ottenuta con Soft IC, della struttura lamellare del campione di copolimero a blocchi PS/PMMA. Nella parte inferiore dell'immagine la forza applicata era di 1 nN, aumentata in seguito rispettivamente di 5 nN, 10 nN e 20 nN. Per 1 nN il contrasto non è abbastanza alto per permettere di vedere chiaramente entrambe le fasi. Invece per 15 nN e 20 nN la forza era troppo elevata e induceva una deformazione. Le condizioni migliori si ottengono con 5nN, la forza applicata sulla parte inferiore dell'immagine, e le fasi dei blocchi PS e PMMA vengono risolte con una spaziatura di 38,6 nm.