Utilizzo di microleve in silicio per applicazioni biosensoristiche
Autore
Paolo Buffoni - Università degli studi di Genova - [1996-97]
Documenti
Abstract
Una proprietà di notevole interesse, tra quelle della superficie di un solido, è lo stress superficiale, in quanto esso permette di caratterizzare i fenomeni e le interazioni che avvengono tra la superficie ed il mezzo in cui il solido si trova.
Lo stress superficiale è una componente dell'energia superficiale dei materiali. Esistono principalmente due componenti dell'energia superficiale: quella plastica (il materiale mantiene la stessa distanza atomica, quindi l'aumento o la riduzione della superficie è dovuta rispettivamente all'aumento o alla riduzione del numero d'atomi) e quella elastica. Per piccole alterazioni, nei solidi, lo stress è una deformazione puramente elastica.
Esistono diversi metodi per misurare l'energia superficiale in modo accurato, pur essendo comunque difficile per i solidi quantificare esattamente lo stress superficiale. Infatti, molti metodi presentano alcuni svantaggi, per esempio richiedono soluzioni tecniche assai complesse, non possono essere usati per monitorare le variazioni dell'energia superficiale, sono semi - empirici o, ancora, si possono utilizzare solo per specifiche applicazioni.
Negli ultimi anni si sono iniziate ad esplorare le possibilità offerte dall'utilizzo di leve microfabbricate di silicio, normalmente usate nella microscopia a forza atomica, come microsensori basati sulla misura di stress superficiale.
Il microscopio a forza atomica (AFM) ideato da Binning, Quate e Gerber nel 1986, appartiene ad una classe di strumenti che studiano le interazioni tra il campione in esame ed una sonda, attraverso la rilevazione di forze superficiali.
Per un AFM il sensore è costituito, come detto, da una microleva in nitruro di silicio di dimensioni dell'ordine dei 100 mm * 20 mm, con uno spessore dell'ordine di 1 mm. All'estremità di un lato della leva viene microfabbricata (durante il processo produttivo della leva stessa) una punta, di dimensioni 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 (Si3N4 - 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. Ciò causa l'incurvatura della microleva. La deflessione della leva viene rilevata con la stes?
Lo stress superficiale è una componente dell'energia superficiale dei materiali. Esistono principalmente due componenti dell'energia superficiale: quella plastica (il materiale mantiene la stessa distanza atomica, quindi l'aumento o la riduzione della superficie è dovuta rispettivamente all'aumento o alla riduzione del numero d'atomi) e quella elastica. Per piccole alterazioni, nei solidi, lo stress è una deformazione puramente elastica.
Esistono diversi metodi per misurare l'energia superficiale in modo accurato, pur essendo comunque difficile per i solidi quantificare esattamente lo stress superficiale. Infatti, molti metodi presentano alcuni svantaggi, per esempio richiedono soluzioni tecniche assai complesse, non possono essere usati per monitorare le variazioni dell'energia superficiale, sono semi - empirici o, ancora, si possono utilizzare solo per specifiche applicazioni.
Negli ultimi anni si sono iniziate ad esplorare le possibilità offerte dall'utilizzo di leve microfabbricate di silicio, normalmente usate nella microscopia a forza atomica, come microsensori basati sulla misura di stress superficiale.
Il microscopio a forza atomica (AFM) ideato da Binning, Quate e Gerber nel 1986, appartiene ad una classe di strumenti che studiano le interazioni tra il campione in esame ed una sonda, attraverso la rilevazione di forze superficiali.
Per un AFM il sensore è costituito, come detto, da una microleva in nitruro di silicio di dimensioni dell'ordine dei 100 mm * 20 mm, con uno spessore dell'ordine di 1 mm. All'estremità di un lato della leva viene microfabbricata (durante il processo produttivo della leva stessa) una punta, di dimensioni 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 (Si3N4 - 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. Ciò causa l'incurvatura della microleva. La deflessione della leva viene rilevata con la stes?
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