Orientadores: Daniel Mario Ugarte, Varlei Rodrigues

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin

Resumo: O estudo de nano-sistemas tem atraído grande atenção nos últimos anos, principalmente devido às suas possíveis e novas aplicações tecnológicas. Muitos esforços tem sido feitos nessa área, porém há ainda várias questões em aberto com relação a compreensão de nanoestruturas. Um dos principais...

Resumo: O estudo de nano-sistemas tem atraído grande atenção nos últimos anos, principalmente devido às suas possíveis e novas aplicações tecnológicas. Muitos esforços tem sido feitos nessa área, porém há ainda várias questões em aberto com relação a compreensão de nanoestruturas. Um dos principais desafios diz respeito à manipulação e o posicionamento controlado de nanoobjetos, juntamente com a quantificação das forças envolvidas e a caracterização das propriedades mecânicas em nanoescala. Muitos avanços foram atingidos combinando-se a microscopia eletrônica de varredura (SEM) e a de força atômica (AFM), realizando experimentos in situ que aproveitam a resolução e a formação de imagens do SEM, e a capacidade de medir forças em sistemas nanométricos do AFM. Nesta tese discutimos a quantificação de forças de intensidade < N, aplicadas em experimentos de nanomanipulação in situ de SEM, através do desenvolvimento de um sensor baseado no uso de diapasões de quartzo (tuning fork). Abordamos os aspectos técnicos relevantes à construção do sensor e seu funcionamento, desde o problema de se medir forças da ordem de nN em nano-objetos individuais, até sua aplicação em sistemas dessa dimensão. Pontos fundamentais do desenvolvimento como a definição da sua configuração, da eletrônica de aquisição e da metodologia de calibração e de aplicação são tratados em detalhe. Um processo de calibração baseado na deformação in situ de cantilevers de AFM é utilizado para permitir a quantificação da força. Subsequentemente a medida dos valores é feita exclusivamente através das curvas de ressonância do tuning fork, independendo completamente das imagens de microscopia. Forças no intervalo de 1-100 nN foram medidas, e a aplicação do sensor foi dada no intervalo de 4-40 nN. A precisão obtida na quantificação foi de alguns nN, ?F ?1-4 nN. O sistema foi testado em experimentos de deformação de bundles de nanotubos de carbono in situ em um SEM, nos quais medimos quantitativamente a influência das forças de van der Waals no atrito dinâmico durante o escorregamento entre nanotubos. As forças obtidas nesses experimentos variaram entre 14-35 nN

Abstract: The study of nanosystems has attracted many attention in recent years, mainly due to their novel possible technological applications. Many efforts have been made in this area, however several open questions regarding the comprehension of such structures remain. A major challenge concerns...

Abstract: The study of nanosystems has attracted many attention in recent years, mainly due to their novel possible technological applications. Many efforts have been made in this area, however several open questions regarding the comprehension of such structures remain. A major challenge concerns the manipulation and the controlled positioning of nano-objects, together with the quantification of the involved forces and the mechanical characterization at the nanoscale. Many advances have been achieved by combining the scanning electron microscopy (SEM) and the atomic force microscope (AFM), conducting thus in situ experiments that profit from SEM¿s resolution and imaging and from AFM¿s ability to measure forces in nanoscale systems. In this thesis we treat the quantification of forces with intensity < N applied during in situ nanomanipulation experiments performed inside a SEM by developing a force sensor based on quartz tuning forks. Our approach comprises the technical aspects relevant to the sensor¿s assembly and its operation, from the issue of measuring forces of the order of nN on individual nano-objects, to its application on nanosystems. Key points of development such as the sensor¿s design, electronics, calibration and applications are described in details. A calibration process based on the in situ bending AFM cantilevers is carried out to enable the force quantification. Subsequently the force measurement is done exclusively by the TF¿s resonance curve, being completely independent of the microscopy images. Forces in the range of 1-100 nN were measured, and the sensor¿s application was considered between 4 nN and 40 nN. The precison acquired was of a few nN, ?F ?1-4 nN. To test the sensor in situ strain experiments were performed on bundles of carbon nanotubes from which we measured quantitatively the van der Waals¿ influence on the dynamic friction during the sliding of adjacent bundles. The forces acquired were then in the range of 14-35 nN