Studio mediante AFM della conducibilità elettrica locale in nanostrutture di ossidio di titanio

Le forze rilevanti al funzionamento dell’ A.F.M. sono di natura elettromagnetica. La complessità delle interazioni in gioco è dovuta a:
1) Il numero degli atomi che sono coinvolti nelle misurazioni dipende dal tipo di interazione. É comunque da notare che la punta è composta da 10¹⁸ atomi se si considera solamente l'estremità di una punta in condizioni perfette.
2) Le forze in gioco sono a molti corpi.
3) Le forze variano notevolmente a seconda dell'ambiente gassoso, liquido o in vuoto.
4) Le scansioni sono processi dinamici. La forza di attrito è un esempio di interazione non statica. Questa forza torce la leva ed ha una componente verticale. La sua trattazione richiede un approccio dinamico.
5) Il campione non è abitualmente un cristallo rigido. Bisogna tenere in considerazione deformazioni elastiche o rilassamenti atomici.
6) L'influenza della punta sulla struttura elettronica del campione. Ciò può provocare un riarrangiamento della struttura atomica della punta o del campione.
É estremamente difficile tenere in considerazioni tutte questi punti contemporaneamente. É comunque importante distinguere le forze tra il campione e la punta in un AFM per separare gli effetti e quindi interpretare l'immagine.
I tipi di forze si possono dividere in due categorie secondo il loro raggio d'azione:

Forze a lungo raggio
In questo tipo di forza non solo l'apice, ma anche una parte della punta contribuirà alla forza totale. Si possono dividere in:
1) Forze di Van Der Waals: esistono tra ogni tipo di atomi o molecole e possono essere divise in tre gruppi principali: interazioni dipolo-dipolo, interazioni dipolo-dipolo indotto, interazione dipolo indotto - dipolo indotto. Le forze attrattive di van der Waals tra gli atomi sono proporzionali a 1/r⁶ dove r è la distanza tra gli atomi. La presenza della superficie abbassa il valore dell'esponente tra 1 e 3 a seconda della forma della punta. Quindi le forze di van der Waals hanno un campo di azione che va da pochi ångström a varie centinaia di ångström. Possono essere utilizzate per misurare topografie con una risoluzione di pochi nanometri. Il ruolo di queste forze è stato discusso da Moiseev ed Hartmann.
2) Forze elettrostatiche: Sono causate da semplici forze coulombiane che sono il risultato del trasferimento di elettroni tra atomi vicini cioè nel nostro caso per interazioni tra una punta carica ed una regione carica di un isolante. Hanno un range spaziale che va da 1 Å fino a centinaia di nanometri.
Si è fatto uso del microscopio a forza atomica per studiare la dissipazione di cariche localizzate sulla superficie di un polimero, che sono state precedentemente originate attraverso una pulsazione di voltaggio (effetto corona).
3) Forze magnetiche: vi è stato molto interesse nello studio di questo tipo di forze applicato ad una microscopia a scansione al punto tale da costruire il “microscopio a forza magnetica” (MFM) che si basa su una punta ferromagnetica che sonda domini di un campione ferromagnetico. Le misure vengono compiute ad una distanza di poche centinaia di ångström, così da poter trascurare la maggior parte delle altre forze in quanto minime a queste distanze.
4) Forze di capillarità: la punta in vicinanza del campione dà luogo ad un microcontatto che diventa un centro di condensazione per il vapore nell'ambiente. Sulla superficie di ogni oggetto esposto all'aria si trova un film di acqua il cui spessore dipende dall'umidità relativa (R.H.) dell'atmosfera circostante e dalla natura chimico fisica dell'oggetto. Il R.H. deve essere 0 % per garantire l'eliminazione delle forze di capillarità, anche se, come dimostrato da Thundat ed altri al di sotto del 10 % di umidità relativa non si registra più nessun calo delle forze di capillarità.
Se il raggio di curvatura del microcontatto tra punta e campione è inferiore ad un raggio critico si forma un menisco.