Utilizzo di microleve in silicio per applicazioni biosensoristiche

Introduzione 
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II 
dell’ordine di decine di nm, che esegue una scansione sulla superficie del 
campione, acquisendo in maniera sequenziale misure di forze. Mentre la punta 
scandisce la superficie, la leva, si deflette. Misurando la deflessione della leva è 
possibile ottenere un'immagine topografica della superficie. L’AFM può 
analizzare la superficie di qualsiasi tipo di materiale (conduttore e non, rigido o 
cedevole, ecc., ecc.) e raggiunge in alcuni casi la risoluzione atomica. 
Una peculiarità di questo strumento è la possibilità di poter fare misure anche in 
ambiente liquido; ciò comporta vantaggi quali la riduzione di un fattore 10 - 100 
delle forze applicate rispetto a quelle che necessiterebbero in aria, inoltre, per 
molte applicazioni, l'acqua è un mezzo naturale: ad esempio i materiali biologici 
subiscono un rapido degrado se non sono conservati in soluzione elettrolitica. 
Il presente lavoro di tesi riguarda l'uso, la modifica e l'ingegnerizzazione del set 
- up sperimentale di un microscopio a forza atomica, operativo presso il 
laboratorio di nanotecnologie ed elettronica molecolare del DIBE, al fine di 
creare una stazione di lavoro per misure di variazioni di stress superficiale di 
una microleva in silicio. 
Si presentano inoltre i risultati di una serie di misure effettuate per verificare sia 
il corretto funzionamento del set – up, sia la validità della tecnica proposta. 
Il protocollo su cui si basano le misure effettuate, descritte e presentate nella 
presente tesi, è il seguente: 
Una delle due facce di una microleva commerciale di nitruro di silicio viene 
ricoperta da un materiale opportuno. In questo modo si ha una struttura costituita 
da due superfici di materiale differente (Si
3
N
4
 - Au, ad esempio).In tali 
condizioni le due facce della microleva possono subire processi d’interazione 
diversi, con particolari specie chimiche presenti in fase gassosa o liquida. Di 
conseguenza si verificano diversi fenomeni di stress superficiale sulle due facce. 
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III 
Ciò causa l'incurvatura della microleva. La deflessione della leva viene rilevata 
con la stessa tecnica (deflessione di un raggio laser) utilizzata per il 
funzionamento del microscopio a forza atomica di cui la microleva fa parte. In 
conclusione, come sarà analizzato in modo quantitativo nella tesi, esiste una 
relazione tra l'energia d’interazione di specie chimiche con le superfici della 
microleva e l'incurvatura della microleva stessa. Questo fatto può permettere lo 
sviluppo di microsensori estremamente sensibili, sia in fase gassosa, sia in fase 
liquida. 
Gran parte del lavoro è consistito in un’indagine sperimentale del principio di 
funzionamento sopra descritto. Allo scopo, una delle facce della microleva è 
stata ricoperta da molecole organiche in grado di auto – organizzarsi su oro, 
(tioli), e n’è stata studiata l'interazione con elettroliti, introdotti secondo la scala 
di Hofmeister. Un secondo insieme di misure ha riguardato l'interazione con un 
surfactante; infine, si è voluta estendere la possibilità di sperimentazione 
aggiungendo nel banco di lavoro creato, un potenziostato, attraverso il quale è 
possibile applicare una polarizzazione elettrica esterna, controllata, alla 
microleva. 
In questo modo è possibile imporre, ad un lato della leva, una tensione rispetto 
ad un elettrodo di riferimento, immerso nella stessa soluzione elettrolitica. Ciò 
permette di misurare come vari lo stress superficiale della superficie polarizzata, 
al variare del potenziale. 
 
La presente tesi è articolata in otto capitoli 
 
Nel primo capitolo viene presentato il microscopio a forza atomica e descritto il 
principio di funzionamento. 
Introduzione 
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IV 
Il secondo capitolo descrive le microleve in silicio, approfondendo in particolare 
gli aspetti relativi alle misure effettuate. 
Nel terzo capitolo si espone la teoria della deformazione dei solidi, in particolare 
si fa riferimento alle variazioni differenziali di stress superficiale e di come esse 
siano legate alla deflessione di una microleva commerciale di un microscopio a 
forza atomica. 
Il quarto ed il quinto capitolo forniscono una descrizione generale 
rispettivamente di cosa sono l’effetto Hofmeister ed i surfactanti. Inoltre si 
affrontano gli aspetti teorici dei fenomeni di interazione che si sono studiati. In 
particolare si presentano le teorie che si trovano in letteratura, le quali sono poi 
verificate e discusse, alla luce dei risultati ottenuti. 
Il lavoro sperimentale con l’ingegnerizzazione del set – up dell’AFM viene 
presentato nel sesto capitolo, insieme alla descrizione dei passi seguiti per ogni 
misura ed alla presentazione dei dati ottenuti. 
Nel settimo capitolo s’intraprende la discussione dei risultati fornendone 
un’interpretazione e presentando anche una stima quantitativa dei fenomeni di 
interazione studiati. Infine si propongono possibili applicazioni biosensoristiche 
della tecnica utilizzata. 
L’ottavo capitolo affronta e risolve i problemi legati alla possibilità di effettuare 
misure in un ambiente polarizzato, mediante l’utilizzo di un potenziostato.
  
 
 
 
 
 
Capitolo 1 
 
 
 
 
 
MICROSCOPIO A FORZA 
ATOMICA 
 
Capitolo 1 Microscopio a forza atomica 
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1.1 IL MICROSCOPIO A FORZA ATOMICA 
 
 
1.1.1 Introduzione 
 
Il microscopio a forza atomica (AFM), ideato nel 1986 da G.Binnig, C.Quate e 
C.Gerber
1
, fa parte della famiglia dei microscopi a sonda di scansione (Scanning 
Probe Microscopes - SPM) il cui "progenitore" è il microscopio ad effetto tunnel 
(STM), costruito nel 1981 dai premi Nobel per la Fisica G.Binnig e H. Rohrer
2
 
Tutti questi microscopi utilizzano sensori (sonde: probes) e rivelano interazioni 
di diverso tipo tra la sonda e il campione in esame; il sensore compie una 
scansione sul campione, acquisendo in maniera sequenziale misure 
dell’interazione. Le misure sono convertite in un segnale elettrico che può essere 
registrato e opportunamente trattato e a partire dal quale viene costruita 
l'immagine. 
Col tempo, all'STM e all'AFM si sono affiancati altri tipi di SPM, che si 
distinguono per il tipo d’interazione rilevata e anche per il sensore usato. Fra 
questi lo SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscope)
3
, lo STOM 
(Scanning Tunneling Opticai Microscope)
4, 5
 e lo SPNM (Scanning Plasmon 
Near-Field Microscope)
6
 sono essenzialmente microscopi ottici che sfruttano, 
rispettivamente, la diffusione di un'onda in campo prossimo, l'effetto tunnel 
ottico e l'interazione fra una punta metallica e i plasmoni (oscillazioni nella 
densità di carica) eccitati da un laser su una superficie, anch'essa metallica; le 
risoluzioni raggiunte con questi microscopi sono dell'ordine del nm. Un'altra 
famiglia, più vecchia, di microscopi a scansione è costituita dal SEM (Scanning 
Electron Microscope) e dallo STEM (Scanning Trasmission Electron 
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Microscope) che misurano gli elettroni scatterati dal campione con risoluzioni di 
centinaia di nm per il SEM e dell'ordine dell'Angstrom per lo STEM. Il SEM e 
lo STEM presentano caratteristiche diverse dai nuovi microscopi a scansione: 
sono molto più costosi dell'STM e dell'AFM, producono forti alterazioni nel 
campione, e hanno bisogno di operare sotto ultra alto vuoto, ma soprattutto, a 
differenza dell'STM e dell'AFM, non forniscono immagini tridimensionali della 
superficie del campione. 
L'STM è costituito essenzialmente da una punta di materiale conduttore che 
viene avvicinata a poche decine di Ångstrom di distanza da una superficie, 
anch'essa conduttrice; tra punta e campione è applicata una differenza di 
potenziale. Per effetto tunnel si instaura una corrente che è funzione della 
barriera fra le due superfici, ovvero dello spessore del mezzo interposto (vuoto o 
aria). Facendo scorrere la punta sul campione, dalla corrente si può dedurre la 
distanza fra la punta e la superficie punto per punto. 
Dal punto di vista della risoluzione, l
’
STM è il microscopio con il quale si sono 
ottenuti i migliori risultati. Tuttavia questo tipo di microscopio presenta due 
grossi inconvenienti: può operare solo su superfici conduttrici e 
preferenzialmente in atmosfera controllata o sotto ultra alto vuoto. 
L'AFM supera questi ostacoli (può lavorare su qualsiasi campione ed in 
qualsiasi ambiente), ma non raggiunge la stessa risoluzione, o almeno non la 
raggiunge con la stessa facilità. 
Il principio di funzionamento di questo microscopio è molto semplice: una punta 
collocata all'estremità di una microleva viene avvicinata o portata a contatto con 
la superficie di un campione montato su un attuatore piezoelettrico. Sotto 
l'azione delle varie forze che si esercitano fra punta e campione, la microleva si 
deflette; tale deflessione può essere rivelata con diversi metodi e convertita in un 
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segnale elettrico, elaborando il quale si può ricostruire l'immagine nel caso in 
cui la punta scandisca il campione. 
Possiamo schematizzare un AFM come in Figura 1.1.1 
 
 
Schema generale di un microscopio a forza atomica. 
Figura 1.1.1 
 
Nei paragrafi seguenti verranno analizzati in dettaglio i componenti appena 
citati. 
 
 
 
1.1.2 Le microleve 
 
Il cuore d’ogni SPM è costituito dal sensore che fornisce, tramite la sua 
interazione idealmente puntuale col campione, l'immagine di quest’ultimo. 
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5 
Il sensore di forza utilizzato nell'AFM è una microleva con punta microintegrata 
(Figura 1.1.2) che si deflette proporzionalmente alle forze d'interazione fra punta 
e campione o fra punta e ambiente che la circonda. 
Quando la punta interagisce col campione, in generale, oltre alle deflessioni, 
subirà delle torsioni; questo può essere sfruttato per misurare l'attrito fra punta e 
campione nel Friction Force Microscope (FFM). 
 
Chip commerciale in Pyrex sul quale sono applicate una o più microleve. 
Figura 1.1.2 
 
 
 
1.1.3 Metodi di rivelazione della deflessione 
 
Per ottenere la risoluzione atomica, il metodo di rivelazione delle deflessioni 
deve essere sensibile a spostamenti inferiori ad un Ångstron, con una banda 
passante che va dalla continua ad alcuni kHz. 
I metodi provati sono essenzialmente quattro: il tunnel elettronico
1, 7, 8, 9
, il tunnel 
ottico
10
, l'interferometria ottica
11
 e la leva ottica
12
 (che è quello usato 
normalmente).