microscopio de fuerza electrostática

La microscopía de fuerza electrostática ( EFM ) es un tipo de microscopía de fuerza atómica dinámica sin contacto en la que se analiza la fuerza electrostática. (Aquí, "dinámica" significa que el voladizo oscila y no entra en contacto con la muestra). Esta fuerza surge debido a la atracción o repulsión de cargas separadas . Es una fuerza de largo alcance y puede detectarse a 100 nm o más de la muestra. 

Por ejemplo, consideremos una punta de voladizo conductora y una muestra separadas por una distancia z, generalmente por el vacío. Una batería externa aplica un voltaje de polarización entre la punta y la muestra, formando un condensador C entre ambas. La capacitancia del sistema depende de la geometría de la punta y la muestra. La energía total almacenada en ese condensador es $${\displaystyle U={\frac {1}{2}}\,C\,\Delta V^{2}.}$$ El trabajo realizado por la batería para mantener un voltaje constante, ΔV , entre las placas del condensador (punta y muestra) es −2U . Por definición, al tomar el gradiente negativo de la energía total _Utotal = −U se obtiene la fuerza. La componente z de la fuerza (la fuerza a lo largo del eje que conecta la punta y la muestra) es, por lo tanto :$${\displaystyle F_{\rm {electrostática}}={\frac {1}{2}}{\frac {\partial C}{\partial z}}\Delta V^{2}.}$$ Dado que ⁠ ∂ C / ∂ z ⁠ < 0, esta fuerza siempre es atractiva. La fuerza electrostática se puede medir cambiando el voltaje, y esa fuerza es parabólica con respecto al voltaje. Cabe señalar que Δ V no es simplemente la diferencia de voltaje entre la punta y la muestra. Dado que la punta y la muestra a menudo no son del mismo material, y además pueden estar sujetas a cargas atrapadas, residuos, etc., existe una diferencia entre las funciones de trabajo de ambas. Esta diferencia, cuando se expresa en términos de voltaje, se denomina diferencia de potencial de contacto , V _CPD . Esto hace que el vértice de la parábola se encuentre en $${\displaystyle \Delta V=V_{\rm {consejo}}-V_{\rm {muestra}}-V_{\rm {CPD}}=0.}$$ Por lo general, el valor de V _CPD es del orden de unos pocos cientos de milivoltios . Con este método se pueden detectar rutinariamente fuerzas tan pequeñas como piconewtons .

Una forma común de microscopía de fuerza eléctrica (EFM) implica un modo de operación sin contacto . En este modo, el voladizo oscila a su frecuencia de resonancia y la punta del AFM se mantiene de manera que solo detecta fuerzas electrostáticas de largo alcance, sin entrar en el régimen de contacto repulsivo. En este régimen sin contacto, el gradiente de fuerza eléctrica provoca un cambio en la frecuencia de resonancia del voladizo. Las imágenes de EFM se pueden crear midiendo la oscilación, la fase y/o el cambio de frecuencia del voladizo en respuesta al gradiente de fuerza electrostática.

En un microscopio de fuerza electrostática, al igual que el microscopio de fuerza atómica en el que se basa, la muestra solo puede sumergirse en un líquido no conductor, ya que los líquidos conductores dificultan el establecimiento de una diferencia de potencial eléctrico que provoque la fuerza electrostática detectada.

• Microscopía de fuerza de sonda Kelvin : una técnica de microscopía de sonda de barrido muy similar a la EFM, excepto que se centra en la medición de V _CPD .
• Microscopía de fuerza magnética : una técnica relacionada y similar que mide gradientes de fuerza magnética en lugar de gradientes de fuerza electrostática.

• L. Kantorovich, A. Livshits y M. Stoneham, J. Phys.:Condens. Matter 12, 795 (2000) .
• "Microscopio de fuerza electrostática para el estudio de cargas superficiales en soluciones acuosas" por S. Xu y MF Arnsdorf, PNAS 92 (1995) 10384