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Nanoscale Tomography Based in Electrostatic Force Microscopy

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Universitat de Barcelona. Departament d'Enginyeria Electrònica i Biomèdica

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[eng] The ability to characterize the elements beneath the surface has been a dire necessity in the fields of materials science, polymer technology, biology, and medical sciences. Scanning Probe Microscopies are the family of microscopies that scans the surface using a nanometric probe and the acquired data is used to reconstruct the physical properties of the samples in nanometric resolution (e.g., topography). Since the measurements could be carried out in non-contact mode, the ability to study tomography have made them a better contender. SPM also possess the relative advantage of being non-invasive, non-destructive, requires relatively minimal sample preparation, can be extended into any environment (inert, ambient vacuum), and also be measured in air, water, or any biological medium. Among them, Electrostatic Force Microscopy, has been successfully used in subsurface investigations to study the compositional modifications below the organic layers, imaging below the organic layers, imaging water molecules in confined nanometric channels, imaging of carbon nanotubes, graphene networks and nanoparticles inside the polymeric nanocomposites. Nanocomposites, which consist of nanostructures in their bulk matrix to improve the matrix efficiency, have been one of the successfully incorporated material science application of the last two decades. Silver nanoparticle especially have a barrage of applications to its credit ranging from solar cell applications, touch screens, LEDs to flexible wearable devices. Understanding the subsurface features or tomography of these nanocomposites could help us in understanding their properties, interpreting them based on their parametric dependence which would later aid us in tuning them for our desired applications. In this thesis. Individual computational studies have been carried out of nanowires buried in a dielectric matrix to observe the effects of various parameters influencing the subsurface imaging. Spatial resolution is given prime importance as its behavior of two parallel nanowires is studied along with two nanowires overlapped one on top of each other. Also, the analysis of silver nanowire nanocomposites has been investigated with the help of Scanning Dielectric Force Volume Microscopy, a technique proposed recently with EFM. The bulk matrix is composed of gelatin which can offer a range of permittivities depending on the degree of hydration, for e.g., here εr ~ 5 to εr ~ 14 . This sample is experimentally analyzed, imaged and the depth of nanowires in the matrix inside the bulk matrix is mapped with the theoretical analysis. This thesis research provides us with subsurface information that would help us in understanding and tuning the parameters to achieve desired applications.

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[spa] La capacidad de caracterizar los elementos debajo de la superficie ha sido una necesidad imperiosa en los campos de la ciencia de los materiales, la tecnología de polímeros, la biología y las ciencias médicas. La microscopía de sonda de barrido (SPM por sus siglas en inglés) es una técnica de microscopía que permite exploran la superficie de una muestra a nano escala utilizando una sonda nanométrica, donde los datos adquiridos se utilizan para reconstruir las propiedades físicas de las muestras en resolución nanométrica (por ejemplo, topografía). Dado que las mediciones se pueden realizar sin contacto, los diferentes tipos de SPM se han convertido en candidatos óptimos para el estudio de propiedades sin necesidad de destruir la muestra. El SPM también posee la ventaja relativa de ser no invasivo, no destructivo, requiere una preparación de muestra relativamente sencilla, puede extenderse a cualquier ambiente (inerte, vacío ambiental), y también medirse en aire, agua o cualquier medio biológico. Entre ellos, la microscopía de fuerza electrostática, se ha utilizado con éxito en investigaciones del subsuelo para estudiar las modificaciones de composición debajo de las capas orgánicas, obtener imágenes debajo de las capas orgánicas, obtener imágenes de moléculas de agua confinada en canales nanométricos, imágenes de nanotubos de carbono, redes de grafeno y nanopartículas dentro de polímeros. Los nanocompuestos, que consisten en nanoestructuras en gran parte de su matriz para mejorar la eficiencia de la matriz, han sido una de las aplicaciones de la ciencia de materiales incorporadas con éxito en las últimas dos décadas. Las nanopartículas de plata tienen especialmente un aluvión de aplicaciones en su haber que van desde aplicaciones de células solares, pantallas táctiles, LED hasta dispositivos portátiles flexibles. Comprender las características del subsuelo o la tomografía de estos nanocompuestos podría ayudarnos a comprender sus propiedades, interpretándolas en función de su dependencia paramétrica, lo que luego nos ayudaría a ajustarlos para otras aplicaciones. En esta tesis, se han realizado estudios computacionales individuales de nano cables enterrados en una matriz dieléctrica para observar los efectos de varios parámetros que influyen en las imágenes del subsuelo. La resolución espacial tiene una importancia primordial, ya que se estudia su comportamiento de dos nano cables paralelos junto con dos nano cables superpuestos uno encima del otro. Además, el análisis de nanocompuestos de nano cables de plata se han investigado con la ayuda de la microscopía de barrido volumen de fuerza dieléctrica, una técnica propuesta recientemente con el EFM. La mayor parte de la matriz está compuesta de gelatina que puede ofrecer un rango de permitividades dependiendo del grado de hidratación, por ejemplo, aquí εr ~ 5 a εr ~ 14. Esta muestra se analiza experimentalmente, se obtienen imágenes y la profundidad de los nano cables en la matriz se mapean con el análisis teórico. Esta tesis nos proporciona nueva información y técnicas avanzadas a nivel tomográfico que ayudaran a la realización de imágenes de nanoestructuras de nuevos nanomateriales para aplicaciones en Salud y Electrónica.

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Tesis Doctorals - Departament - Enginyeria Electrònica i Biomèdica

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Nanoscale Tomography Based in Electrostatic Force Microscopy