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La microscopía acústica de fuerza atómica ( AFAM ) es un tipo de microscopía de sonda de barrido (SPM). Es una combinación de acústica y microscopía de fuerza atómica . La principal diferencia entre la 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 un voladizo y una punta llamados sonda. La figura que se muestra aquí es el esquema claro del principio de la AFAM. Aquí B es la versión ampliada de la punta y la muestra colocadas en el transductor y la punta tiene un revestimiento óptico, generalmente 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 escala nanométrica, como el módulo elástico , el módulo de corte y el coeficiente de Poisson .
La frecuencia utilizada oscila entre unos pocos kHz y MHz, manteniendo constante la amplitud de la onda sinusoidal. La sonda detecta las ondas longitudinales sinusoidales y la desviación de la sonda se detecta mediante una luz láser enfocada en un fotodiodo sensible a la posición (PSPD). Esta desviación del haz láser reflejado desde el voladizo (sonda) indica los parámetros de flexión y torsión de la muestra. La señal de alta frecuencia se envía a un amplificador de bloqueo y se correlaciona con la señal de referencia enviada por el generador de señales para formar la imagen AFAM.
Desde el desarrollo de la microscopía de fuerza atómica han surgido muchos 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 pertenecen a la rama de las técnicas de microscopía de campo cercano denominada microscopía de fuerza de resonancia de contacto (CRFM). Las técnicas de CRFM dependen principalmente del cálculo de las frecuencias de resonancia de contacto y de cómo cambian con las variaciones (como precipitados y matriz) en la muestra.
La microscopía acústica de fuerza atómica (AFAM) fue desarrollada originalmente por Rabe y Arnold [1] del Instituto Fraunhofer de Pruebas No Destructivas en 1994. La técnica se utiliza ahora para mediciones cualitativas y cuantitativas de las propiedades elásticas locales de los materiales. Anish Kumar et al. [2] [3] utilizaron la AFAM para mapear los precipitados en los materiales policristalinos.
En la configuración AFAM, la muestra se acopla a un transductor piezoeléctrico . Este emite ondas acústicas longitudinales en la muestra, lo que provoca vibraciones fuera del plano en la superficie de la muestra. Las vibraciones se transmiten al voladizo a través de la punta del sensor. Las vibraciones del voladizo se miden mediante un fotodiodo de 4 secciones y se evalúan mediante un amplificador de bloqueo. Esta configuración se puede utilizar para adquirir espectros de vibración del voladizo o para tomar imágenes acústicas. Estas últimas son mapas de amplitudes del voladizo en una frecuencia de excitación fija cerca de la resonancia. Se adquiere una imagen topográfica en modo de contacto simultáneamente con la acústica.
El rango de frecuencia empleado cubre los modos de flexión del voladizo desde 10 kHz hasta 5 MHz, con una frecuencia media de alrededor de 3 MHz. Puede utilizarse para mapear las variaciones del módulo elástico entre los precipitados y la matriz de un material, de modo que incluso se puedan 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 utilizan 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 el material de la punta pueden no ser los mismos. Las puntas se fabrican generalmente mediante grabado anisotrópico o deposición de vapor. La sonda se coloca en un ángulo de alrededor de 11-15 grados con respecto al eje horizontal.
En los cálculos de AFAM se utilizan dos modelos: el modelo de dinámica de voladizos 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 mediante el software LabView . La frecuencia de los modos propios del voladizo depende, entre otros parámetros, de la rigidez del contacto entre la punta y la muestra y del radio de contacto, que a su vez son una función del módulo de Young de la muestra y 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 de los modos es de aproximadamente el 5%.
Para el cálculo de las propiedades elásticas de los materiales debemos considerar dos modelos: [4] modelo dinámico en 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.
La utilización de los dos modelos mencionados anteriormente nos permitirá determinar correctamente las distintas propiedades elásticas de los distintos materiales. Los pasos que hay que tener en cuenta para realizar el cálculo son los siguientes: