PERIODO: DICEMBRE 2016 - GENNAIO 2017


Finalità del corso:
Il corso, di carattere fortemente sperimentale (almeno il 50% delle ore totali sono di laboratorio), si propone di fornire conoscenze di base e avanzate sulle innumerevoli tecniche di microscopia a scansione di sonda (SPM) attualmente disponibili per la caratterizzazione fisica delle superfici dei materiali fino a livello nanometrico o atomico. Verranno descritte nel dettaglio le varie modalità operative dei microscopi SPM, ma saranno anche forniti i consigli pratici per la realizzazione di misure di microscopia (e spettroscopia) in campioni isolanti, conduttori, semiconduttori, biologici e magnetici principalmente mediante microscopia a scansione a effetto tunnel (STM), a forze atomiche (AFM) e a forza magnetica (MFM). Verranno anche descritti ed applicati i principali metodi di analisi delle immagini topografiche e spettroscopiche per ottenere informazioni che vanno, per esempio, dallo studio della rugosità e della qualità superficiale dei campioni, alla determinazione della struttura cristallina e dei difetti a livello atomico, dalla creazione e manipolazione di nanostrutture, alla determinazione della densità degli stati elettronica di semiconduttori, metalli e superconduttori.

Aims of course:
The course is largely experimental (50% at least of the total time is devoted to laboratory activities) and intends to give the students basic and advanced information on the large number of Scanning Probe Microscopy (SPM) techniques presently available for the physical characterization of surfaces of materials down to the nanometric or atomic scale. The various operating modes of SPM instrumentation will be described in detail, as well as the practical tips for the realization of microscopy (and spectroscopy) measurements in insulating, conducting, semiconducting, biologic and magnetic samples, mainly by means of Scanning Tunneling Microscopy (STM), Atomic Force Microscopy (AFM) and Magnetic Force Microscopy (MFM). The most important methods for the analysis of topographic and spectroscopic images will be also described and applied in order to obtain information, for example, on the roughness and superficial quality of samples, on the crystal structure and defect distribution at atomic level, on the creation and manipulation of nanostructures or on the determination of the electronic density of states of semiconducting, metallic and superconducting materials

Programma del corso:
1. Principi di funzionamento e tecniche di misura SPM
Generalità; Componenti principali della strumentazione SPM; Microscopio a scansione ad effetto tunnel (STM); Microscopio a scansione a forze atomiche (AFM): Microscopio a scansione a forze magnetiche (MFM); Microscopio a scansione a forze laterali (LFM);Vari altri tipi di microscopi a scansione; Scanner, punte e cantilever; Artefatti delle immagini; Isolamento dalle vibrazioni; Esempi significativi; Applicazioni metrologiche

2. Software per l'elaborazione dei dati e delle immagini SPM
Il programma SPIP; Esempi di elaborazione delle immagini

3. Attività di laboratorio su:
- Taratura della strumentazione SPM lungo l'asse z e lungo il piano xy
- Topografia STM in campioni conduttori su scala nanometrica e su scala atomica
- Topografia AFM (contact and non-contact mode) in campioni isolanti e conduttori su scala nanometrica
e su scala atomica
- Spettroscopia tunnel a scansione (STS) ed altre applicazioni STM
- Esperimenti di "scrittura" ovvero modifica controllata delle superfici mediante STM
- Misure MFM su materiali magnetici
- Misure SNOM (Scanning Near-field Optical Microscope) su materiali isolanti.

Course contents:

1. Principles of operation and SPM measurement techniques
Generality; Main components of the SPM instrumentation; Scanning tunneling microscope (STM); Atomic Force
microscope (AFM); Magnetic Force Microscope (MFM); Lateral Force Microscope (LFM); Various other types of
scanning microscopes; Scanner, tips and cantilever; Image artifacts; Isolation from vibrations; Meaningful
examples; Metrological Applications

2. Software for elaboration of SPM data and images
The SPIP program; Examples of image elaboration

3. Laboratory activities on:
- Calibration of SPM instrumentation along the z-axis and the xy plane
- STM topography in conducting samples at nanometric and atomic scale
- AFM topography (contact and non-contact mode) in insulating and conducting samples at nanometric and
atomic scale
- Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) and other STM applications
- Experiments of "STM writing" or controlled modification of surfaces through STM
- MFM measurements on magnetic materials
- NSOM (Near-field Scanning Optical Microscope) measurements on insulating materials

Bibliografia essenziale

R. S. Gonnelli, Microscopia a scansione ad effetto tunnel e a forze atomiche per la fisica e l'ingegneria, CD Rom interattivo, versione 5.0, febbraio 2008.
S.N. Magonov and Myung-Hwan Whangbo, Surface Analysis with STM and AFM, VCH, 1996.
C.J. Chen, Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Oxford University Press, 1993.

Essential bibliography

R. S. Gonnelli, Microscopia a scansione ad effetto tunnel e a forze atomiche per la fisica e l'ingegneria, Interactive CD Rom, version 5.0, february 2008.
S.N. Magonov and Myung-Hwan Whangbo, Surface Analysis with STM and AFM, VCH, 1996.
C.J. Chen, Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Oxford University Press, 1993.