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Proyecto final del curso de Micro y nanomanipulación

Cristian Cisneros Morales, UNI, FIM Roger Paredes Alta, UNI, FIM Enver Espinal Santos, UNI, FIM

Resumen—El presente trabajo es el informe grupal correspon-diente a los avances, haSta la fecha de hoy, del apoyo brindado alproyecto Implementación de un Microscopio de Fuerza Atómicaque se está realizando en la Facultad de Ciencia de la UniversidadNacional de Ingeniería. Prensentamos una introducción quedescribe el objeto del proyecto, el AFM, y luego el desarrollode nuestros aportes, como resultado mostramos la manufacturade una tarjeta electrónica y la realización de la simulación delmodelo y control de un STM.

Palabras clave—AFM, nanotecnología, nano manipulación,micro manipulación

I. INTRODUCCIÓN: EL MICROSCOPIO DE FUERZAATÓMICA

AFM(por sus siglas en inglés Atomic Force Microscope)es un instrumento mecanico-óptico capaz de detectar

fuerzas del orden de los piconewtons. Al rastrear una muestra,es capaz de registrar continuamente su topografía medianteuna sonda o punta afilada de forma piramidal o cónica.La sonda va acoplada a un listón o palanca microscópicamuy flexible de sólo unos 200µm. El microscopio defuerza atómica ha sido esencial en el desarrollo de lananotecnología, para la caracterización y visualización demuestras a dimensiones nanométricas (1 · 10−9m = 1nm).

I-A. Partes del AFM

Las partes de un AFM generalmente son:Diodo LASERMicropalancaFotodiodoTubo piezoeléctrico

La figura 1 muestra la ubicación y función de estoscomponentes.

I-B. Tipos de medida

Un AFM puede realizar dos tipos de medidas: imagen yfuerza.

En el modo de reconstrucción de imagen la superficiees barrida en el plano de la superficie (X − Y ) por lapunta. Durante el barrido la fuerza interatómica entrelos átomos de la punta y los átomos en la superficiemuestral provoca una flexión del listón. Esta flexiónes registrada por un sensor adecuado (normalmente

Figura 1: Diagrama de un microscopio de fuerza atómica

balanza óptica) y la señal obtenida se introduce en uncircuito o lazo de realimentación. Este último controlaun actuador piezoeléctrico que determina la altura (Z)de la punta sobre la muestra de forma que la flexión dellistón se mantenga a un nivel constante (Normalmenteintroducido por el operador). Representando la alturade la punta (Z) frente a su posición sobre la muestra(X,Y ) es posible trazar un mapa topográfico de lamuestra Z = Z(X,Y ). La fuerza interatómica sepuede detectar cuando la punta está muy próxima a lasuperficie de la muestra.

En el modo de medida de fuerza la punta se haceoscilar verticalmente mientras se registra la flexión dellistón. La medida se expresa entonces representandofuerza (F ) frente a altura (Z) sobre la muestra. Lasmedidas de fuerza son útiles en estudios de fuerzasde adhesión y permiten estudiar a nivel de una solamolécula interacciones específicas entre moléculas (ej:interacción antígeno-anticuerpo, interacción entre hebrascomplementarias de ADN) o interacciones estructuralesde las biomoléculas (plegado de proteínas) así comocaracterizar la elasticidad de polímeros. También es útilen estudios de indentación de materiales blandos (políme-ros) que permitan caracterizar propiedades elásticas de lamuestra como el módulo de elasticidad o viscoelásticas.

I-C. Modos de operación para la captura de imagen

I-C1. Modo de Contacto: En el barrido en modo contacto(figura 2a) la fuerza entre punta y muestra se mantieneconstante, manteniendo una constante de deflexión. La

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deflexión de la punta estática se utiliza como una señal deretroalimentación.El principal problema del modo contacto es que las muestrasbiológicas (blandas y delicadas) pueden dañarse. De ahíque funcione especialmente bien con muestras fuertementeadheridas a la superficie. En cristales de proteína, porejemplo, las fuerzas laterales no modifican la muestra, perosí en moléculas individuales.

I-C2. Modo dinámico: En los modos dinámicos se hacevibrar la micropalanca a su frecuencia de resonancia valién-dose para ello del actuador piezoeléctrico. La interacciónpunta-superficie modifica la amplitud, frecuencia y fase dela resonancia, mientras el lazo de realimentación mantieneconstante alguna de estas tres propiedades. Qué propiedadsea ésta es el criterio que determina el modo concreto deoperación:

En el Modo de no contacto o de frecuencia modulada(FM-AFM) (figura 2b) se mantiene constante lafrecuencia de resonancia. La principal aplicación delFM-AFM es levantar topografías de superficies duras aescala atómica y operando en vacío extremo o UHV (desus siglas en inglés Ultra High Vacuum).

En el Modo de repiqueteo (del inglés "tapping mode")o de amplitud modulada (AM-AFM) (figura 2c) semantiene constante la amplitud. Se usa principalmenteen medio líquido para obtener imágenes de muestrasbiológicas que sólo son estables en soluciones acuosas.

Figura 2: Modos de operación del AFM

Originalmente el uso del modo de no contacto implicabaque la punta se encontraba siempre a distancia constante dela superficie, mientras que en el modo de repiqueteo la puntagolpeaba intermitentemente la superficie. Posteriormente seha demostrado que ambos modos puden ser operados tanto adistancia de la muestra como en contacto con ella.

I-D. Acerca del proyecto del cursoEl proyecto del curso consiste en el apoyo brindado a la

implementación de un microscopio de fuerza atómica (AFMpor sus siglas en inglés), proyecto que viene desarrollandoseen la Falcutad de ciencias de nuestra universidad.

I-D1. Descripción: En este caso se trata de un AFMpara reconstrucción de imágenes, que trabaja haciendo oscilarla punta de interacción y se pretende mantener constante ladistancia entre la punta y la muestra.

II. IMPLEMENTACIÓN PARA EL AFMEl principio de funcionamiento de este AFM consiste en

mantener al sistema Diapazón-Punta oscilando a su frecuencia

de resonancia. La presencia de la muestra altera dicho estadode resonancia, de modo que se hace necesario actuar sobrela posición de la muestra mediante tubos piezoeléctricos. Seaprobecha el hecho de que la medida de la desviación deltubo piezoeléctrico guarda relación con la distancia entre lapunta y la muestra de modo que estimar esta medida equivalea estimar en contorno de la superficie muestreada, relativo ala posición inicial de la punta.

Para el propósito de implementar un AFM con estascaracterísticas se diseñaron los siguientes circuitos elctrónicos:

Un circuito que haga vibrar al diapazón a frecuenciasalrededor de 32KHz.Un circuito que permita alimentar con voltaje a los tubospiezoeléctricos.Un circuito que mida la amplitud de las oscilaciones delsistema diapazón-punta.

Los trabajos de implementación se centraron el circuitodetector de amplitud, se diseñó el circuto y se contruyóuna tarjeta electrónico con dicha función. La importancia deeste circuito radica en que se nececita mantener constante laamplitud de las oscilaciones del sistema diapazón-punta. Lafigura 3 muestra la apariencia del circuito detector de amplitud.

Figura 3: Apariencia física del circuito detector de amplituddiseñado durante el curso

Este circuito entrega una señal DC igual en valor a laamplitud de la señal senoidal conectada a su entrada.

La figura 4 muestra la simulación del circuito.

III. SIMULACION DEL COMPORTAMIENTO Y CONTROLDEL AFM

Para la simulación, al no contar aún con un modelo dela planta, es decir no se tiene una ecuación que modele lainteracción punta muestra, que vendría a ser la variacón deamplitud de oscilación de la punta con la distancia a la quese encuetre la muestra, se optó por desarrollar un algorimtode control para un microscopio de efecto túnel (STM), elcual cuenta con una ecuación característica que consiste enaumento de corriente a la disminución de la distancia puntammuestra. Un modelo para la relación punta muestra, reflejadacomo corriente-distancia, viene a ser la siguiente:

I = I0e−Kz (1)

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(a) Esquema del circuito

(b) Resultado de la simulación

Figura 4: Circuito detector de amplitud simulado en proteus

Donde:I: es la corriente que se obtiene al cerrar el circuito auna distancia z.z: es la distancia punta muestra.I0: es la corriente obtenida cuando la distancia es nula,z = 0.K: es una ganancia proporcional de la distancia puntamuestra z.

Con este modelo se procede a realizar el algortimo decontrol, y su respectiva simulación.

III-A. Algoritmo de Control

El algoritmo de control se basa en un PID, sintonizado ma-nualmente, los valores ingresados al programa del algoritmofueron los siguientes:

Figura 5: Ingreso de Parámetros

Luego se realiza el manejo de una lazo cerrado simple decontrol, para el seguimiento de una muestra.

III-B. Simulación de Control

Se realizó la simulación de control para un comportamientode la muestra de forma sinusoidal positiva, tal como se muestraen la figura.

Figura 6: Algoritmo de Control

IV. RESULTADOS

IV-A. Rediseño del circuito detector de amplitud

Se planteó un nuevo diseño de este circuito que incluyeconecciones de diodos en el OpAmp para mantenerlo ensu zona ideal, diodos protectores en la alimentación y undiodo LED que indique el encendido del circuito. La figura8 muestra el esquema de este circuito.

IV-B. Simulación en LabView

Los resultados obtenidos de la simulación, son los siguien-tes:

Evolución del Error de la corriente.

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Figura 8: Esquema del circuito detector de amplitud implementado para el AFM

Figura 7: Muestra de Referencia

Evolución de la interacción, podremos observar que lapunta modela la muestra.Evolución del voltaje del piezotubo, se podrá observarque para efecto de implementación, tiene validez losvalores de voltaje del piezotubo.

V. TRABAJOS FUTUROS

Se está rediseñando todos los circuitos electrónicos, de mo-do que se incluyan etapas de protección y de verificación, estocon el fin de descartar fallas electricas en el funcionamientodel AFM y concentrarnos en el control del mismo.

Respecto al Microscopio AFM, para lograr simular eimplementar el Control PID, hace falta obtener un modelomatemático de éste, es decir un modelo que nos sirva dereferencia, sobre todo para sintonizar el Controlador.

Figura 9: Evolución del Error de la Corriente

Se está viendo la posibilidad de implementar controladoresadaptativos a diferentes puntas, ya que la respuesta entre unay otra punta suelen variar. Esto se confirmará una vez que setengan datos experimentales para relacionar.

VI. CONCLUSIONES

Las conclusiones a las que hemos arribado son las siguientesPara lograr un buen desempeño de los circuitos electró-nicos, es necesario implementarlos en tajetas, ya que elprotoboard es suceptible al ruido y a fallos por falta deseguridad en las conexiones.Es necesario incluir etapas de protección en los circuitos,tales como limitadores de corriente, protectores anteruido y reguladores de voltaje.

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Figura 10: Acción Punta-Muestra

Figura 11: Voltaje del Piezotubo, señal de acción

AGRADECIMIENTOS

Nuestro sincero agradecimiento al Ph.D. Julien Noel porinsentivar el desarrollo de tecnologías de vanguardia en elcampo de la micro y nano tecnología en nuestro País.Al Laboratorio de Física de la Facultad de Ciencias de la UNI,con deferencia especial al Dr. Gutarra y a los Bachilleres JoséMorán y Luis Ortega por su gentil acogida al grupo para eldesarrollo del proyecto Implementación de un AFM.Finalmente, agradecemos al Bachiller Roberto Furucawua porel apoyo brindado.