Microscopía acústica de fuerza atómica

La microscopía acústica de fuerza atómica ( AFAM ) es un tipo de microscopía de sonda de barrido (SPM). Es una combinación de microscopía acústica y microscopía de fuerza atómica . La principal diferencia entre AFAM y otras formas de SPM es la adición de un transductor en la parte inferior de la muestra, que induce vibraciones longitudinales fuera del plano en la muestra. Estas vibraciones son detectadas por una punta en voladizo llamada sonda. La figura que se muestra aquí es un esquema claro del principio de AFAM; aquí B es la versión ampliada de la punta y la muestra colocadas sobre el transductor y la punta tiene algún recubrimiento óptico, generalmente un recubrimiento de oro para reflejar la luz láser sobre el fotodiodo .

Con este microscopio se puede medir cualquier tipo de material . En particular, se pueden medir propiedades a nanoescala como el módulo de elasticidad , el módulo de cizalladura y el coeficiente de Poisson .

La frecuencia utilizada varía desde unos pocos kHz hasta MHz, manteniendo constante la amplitud de la onda sinusoidal. La sonda detecta las ondas longitudinales sinusoidales, y la deflexión de la sonda se detecta mediante luz láser enfocada en un fotodiodo sensible a la posición (PSPD). Esta deflexión del haz láser reflejado por la sonda indica los parámetros de flexión y torsión de la muestra. La señal de alta frecuencia se envía a un amplificador de detección síncrona y se correlaciona con la señal de referencia generada por el generador de señales para formar la imagen AFAM.

Desde el desarrollo de la microscopía de fuerza atómica, han surgido numerosos modos y técnicas relacionadas. La microscopía de fuerza ultrasónica , la microscopía de fuerza atómica ultrasónica, la microscopía de fuerza acústica de barrido y la AFAM se engloban dentro de la rama de técnicas de microscopía de campo cercano denominada microscopía de fuerza de resonancia de contacto (CRFM). Las técnicas CRFM dependen principalmente del cálculo de las frecuencias de resonancia de contacto y de cómo estas varían con las variaciones (como precipitados y matriz) presentes en la muestra.

La microscopía acústica de fuerza atómica (AFAM) fue desarrollada originalmente por Rabe y Arnold ^{[ 1 ]} del Instituto Fraunhofer de Ensayos No Destructivos en 1994. Actualmente, esta técnica se utiliza para mediciones cualitativas y cuantitativas de las propiedades elásticas locales de los materiales. Anish Kumar et al. ^{[ 2 ] [ 3 ]} emplearon la AFAM para mapear los precipitados en materiales policristalinos.

En la configuración AFAM, la muestra se acopla a un transductor piezoeléctrico . Este emite ondas acústicas longitudinales hacia la muestra, provocando vibraciones fuera del plano en su superficie. Las vibraciones se transmiten al voladizo a través de la punta del sensor. Un fotodiodo de cuatro secciones mide las vibraciones del voladizo y las evalúa un amplificador lock-in. Esta configuración puede utilizarse para obtener espectros de vibración del voladizo o imágenes acústicas. Estas últimas son mapas de amplitudes del voladizo a una frecuencia de excitación fija cercana a la resonancia. Simultáneamente, se adquiere una imagen topográfica en modo de contacto junto con la acústica.

El rango de frecuencias empleado abarca los modos de flexión de la viga en voladizo desde 10  kHz hasta 5  MHz, con una frecuencia media de aproximadamente 3  MHz. Permite mapear las variaciones del módulo elástico entre los precipitados y la matriz de un material, de modo que incluso se pueden determinar las propiedades elásticas de las películas delgadas. Puede utilizarse en aire, vacío y medios líquidos.

Las sondas utilizadas para AFAM están hechas de nitruro de silicio (Si₃N₄ ₎ o silicio (Si). Se _emplean voladizos con constantes elásticas bajas (0,01-0,5 N/m) para materiales blandos y constantes elásticas altas (42-50 N/m) para materiales duros. Dentro de la estructura de la sonda, el voladizo y la punta pueden no estar fabricados con el mismo material. Las puntas se fabrican generalmente mediante grabado anisotrópico o deposición de vapor. La sonda se coloca con un ángulo de entre 11 y 15 grados respecto al eje horizontal.

En AFAM se utilizan dos modelos para los cálculos: el modelo de dinámica de voladizo y el modelo de mecánica de contacto . Mediante estos dos modelos se pueden determinar las propiedades elásticas de los materiales. Todos los cálculos se realizan con el software LabView . La frecuencia de los modos propios del voladizo depende, entre otros parámetros, de la rigidez del contacto punta-muestra y del radio de contacto, que a su vez dependen del módulo de Young de la muestra y de la punta, del radio de la punta, de la carga ejercida por la punta y de la geometría de la superficie. Esta técnica permite determinar el módulo de Young a partir de la rigidez de contacto con una resolución de unas pocas decenas de nanómetros; la sensibilidad del modo es de aproximadamente el 5 %.

Para el cálculo de las propiedades elásticas de los materiales necesitamos considerar dos modelos: ^{[ 4 ]} modelo dinámico de voladizo - cálculo de k* (rigidez de contacto); y modelo de contacto de Hertz - mecánica de contacto - cálculo del módulo elástico reducido (E*) de la muestra considerando el área de contacto.

El uso de los dos modelos mencionados anteriormente nos permitirá determinar correctamente las diversas propiedades elásticas de diferentes materiales. Los pasos que deben considerarse para el cálculo son:

• Obtenga las resonancias de contacto para cualesquiera dos modos de flexión.
• Los dos modos se pueden adquirir por separado o simultáneamente. La importancia de la adquisición simultánea ha sido demostrada por Phani et al. ^{[ 5 ].}
• Midiendo las frecuencias de resonancia de contacto de dos modos, se pueden escribir dos ecuaciones con dos valores desconocidos, L1 y k*. Al representar gráficamente k* en función de la posición de la punta (L1/L) para ambos modos, se obtienen dos curvas, cuyo punto de intersección proporciona un valor único de k* para el sistema utilizando ambos modos.
• Utilizando el modelo de contacto de Hertz, k* se puede convertir en E*. Dado que la medición precisa de R de la punta es muy difícil, se realiza una medición en una muestra de referencia para eliminar la necesidad de conocer el valor de R. La muestra de referencia puede ser un material amorfo o un monocristal.

• Los cambios de frecuencia son más fáciles de medir con precisión que las amplitudes absolutas o la fase.
• Puede utilizarse tanto en el aire como en ambientes líquidos (como en una gota).
• Puede analizar cualquier tipo de material.
• Resolución a nivel atómico.
• Es posible caracterizar los defectos y detectar estructuras ocultas.
• Caracterización cuantitativa de capas de nanomateriales.
• Mediciones cuantitativas y cualitativas a nanoescala.
• Mediciones de amortiguación a nivel nanométrico que pueden dar una idea real de la iniciación y propagación de grietas, aspectos muy importantes en el caso de los materiales estructurales.

• Microscopía de efecto túnel de barrido
• microscopía de fuerza ultrasónica
• Holografía de ultrasonido de campo cercano mediante escaneo
• Microscopía de sonda de barrido
• Microscopio acústico de barrido
• Ley de Hooke

• Detalles de AFAM
• Tatami, Junichi; Ohbuchi, Tomoko; Komeya, Katsutoshi; Meguro, Takeshi (2005). "Nanofractografía de alúmina mediante microscopía de sonda de barrido" . Key Engineering Materials . 290. Trans Tech Publications: 70–77 . doi : 10.4028/www.scientific.net/kem.290.70 . ISSN 1662-9795 . 
• Imágenes por resonancia magnética de contacto
• Johnson, KL (1987). Mecánica de contacto . Cambridge Cambridgeshire Nueva York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-34796-9OCLC 17282784​​