Estructura de la plática

El STM:
Microscopio de efecto túnel
Parte II
Compilación hecha por:
Compilación hecha por:
Iliana
IlianaMaría
MaríaNava
NavaTerríquez
Terríquez
Fenómenos de Superficies
1
Estructura de la plática
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Introducción básica
Historia de las microscopías hacia la resolución atómica
Principio de funcionamiento básico
Principio físico
Acerca de la punta
Modos de operación
Parámetros experimentales
Imágenes obtenidas
Consideraciones
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El STM: Microscopio de efecto túnel
Lo básico
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El Microscopio de efecto túnel (STM) es un instrumento
que permite visualizar regiones de alta o baja densidad
electrónica superficial, y de ahí inferir la posición de
átomos individuales o moléculas en la superficie de una
red.
La “observación” atómica se ha vuelto una tarea común en
muchos laboratorios debido al bajo costo de este tipo de
microscopía en comparación con la microscopía
electrónica.
Las técnicas de microscopía de barrido por sondeo (SPM:
Scanning probing microscopy) que incluyen al STM y al
AFM se utilizan en áreas de la ciencia que van desde la
biología hasta la física del estado sólido.
3
Historia de la resolución
atómica
„
Durante mucho tiempo, los científicos dudaron que pudiéramos
observar cualquier cosa más pequeña que unos cuantos cientos
de nanómetros, mucho menos un solo átomo, debido a las
limitaciones de la microscopía óptica.
„
„
„
„
Las muestras debían ser mayores en tamaño que la l de la luz
(visible: 700-400nm).
Los átomos tienen diámetros de entre 0.1nm y 0.5nm.
En 1933, se diseñó el primer microscopio electrónico, SEM (Ernst
Ruska, Berlin). Pudimos observar estructuras tan pequeñas como
un virus gracias a la menor l de los e-. Pero aún los virus más
pequeños son 200 veces mayores que un átomo.
En 1951, se inventó el microscopio de ionización de campo, FIM,
(Erwin Muller, Pennsylvania) que provee características del
arreglo atómico de una superficie mediante la ionización de
átomos de un gas noble al colisionar con la superficie, los iones
se impactan en una pantalla causando fluorescencia. Así se
pudieron “observar” los primeros átomos, o sus huellas.
4
El STM: Microscopio de efecto túnel
La revolución del STM
A medida que avanzó el siglo
XX, los microscopios electrónicos
siguieron evolucionando hasta
que lograron la observación de
átomos, aún de manera borrosa.
„
En 1981 Gerd Binnig y Heinrich Rohrer
del Laboratorio Zurich de IBM en Suiza,
desarrollaron una herramienta superior
para observar las superficies átomo a
átomo: el STM (Premio Nobel, 1986).
Su funcionamiento se basa en el efecto
túnel que sufren los electrones que
viajan entre una punta muy cercana a
una muestra al aplicar una diferencia
de potencial. Se crea una corriente
eléctrica que se mantiene constante
mientras la punta se mueve.
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La revolución del STM
„
„
„
„
Otra fuente menciona desde 1972 Russell Young y su
grupo en la oficina nacional de estándares estadounidense
(hoy National Institute of Standards and Technology, NIST)
crearon el primer STM. Dicho STM era muy susceptible a
las perturbaciones ambientales, particularmente a las
vibraciones por lo cual no tuvo mucho éxito.
En 1985 el mismo Gerd Binnig junto con Christoph
Gerber, y Calvin Quate, este último de Stanford, crearon el
AFM, basado en el STM, pero ahora utilizando la fuerza
interatómica en lugar de señales eléctricas para crear
imágenes. El AFM puede utilizarse para muestras no
conductoras.
En 1989 Donald Eigler y Erhard Schweizer del Centro de
investigación Almaden de IBM comenzaron a utilizar el STM
para manipular átomos individuales.
En la actualidad, el ensamblado de moléculas utilizando
STM o AFM es una realidad.
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El STM: Microscopio de efecto túnel
Componentes clave
„
En la actualidad se utilizan
varios diseños de STM, todos
con ciertas características en
común:
„
„
„
Una punta
Algún sistema que permita
movimientos muy delicados
en las direcciónes x-, y-, z(cristal piezoeléctrico que se
mueve gracias a voltajes
aplicados en sus electrodos)
Un sistema computacional que
controle toda la operación
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Principio básico de
funcionamiento
„
„
„
El STM cuenta con una punta metálica
(generalmente de W) del grueso de una
aguja que barre una muestra
recopilando información acerca de la
topografía de la superficie.
La punta no toca la muestra, sino que
se queda a una distancia equivalente a
un par de átomos (~Angstroms) de la
superficie.
El STM utiliza el efecto túnel: si un
voltaje se aplica a la pequeña
separación entre la punta y la muestra,
los electrones pueden tunelear, o
“brincar”, entre la punta y la superficie,
creando una corriente eléctrica que se
capta y se envía a un amplificador.
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El STM: Microscopio de efecto túnel
Principio básico de
funcionamiento
„
„
„
La señal eléctrica es procesada por
una computadora que a su vez dirige
un controlador que puede mover la
punta en dirección vertical de manera
que la corriente se mantiene
constante,y a su vez, se mantiene
constante la distancia entre punta y
muestra. (Existe otro modo de op.)
Se registra la trayectoria de la punta
y entonces se puede desplegar la
información como una imagen en
escala de grises a manera de mapa
de densidades o mapa topográfico.
A la imagen se le puede agregar color
sólo para mejorar el contraste y
observar mejor los cambios
detectados.
9
El principio físico: Efecto
túnel
„
„
„
Desde el punto de vista de la mecánica clásica un electrón no puede
superar una barrera de potencial superior a su energía.
Sin embargo, según la mecánica cuántica, los electrones no están
definidos por una posición precisa, sino por una nube de probabilidad. Esto
provoca que en ciertos sistemas esta nube de probabilidad se extienda
hasta el otro lado de una barrera de potencial. Por tanto el electrón puede
atravesar la barrera, y contribuir a generar una intensidad eléctrica.
Esta intensidad se denomina intensidad de túnel (gap) y es el parámetro
de control que nos permite realizar la topografía de superficie.
http://www.chem.qmul.ac.uk/surfaces/scc/scat7_6.htm
El STM: Microscopio de efecto túnel
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El principio físico: Efecto
túnel
„
„
La barrera de potencial puede ser una capa de material aislante (como el
óxido en un electrodo) o una sección de vacío (en el caso del STM).
En 1D, al incidir un electrón en una barrera de potencial de ancho infinito
y altura V, la Ec. de Schrodinger tiene dos componentes.
„
„
A x<0
H = −(h 2 / 2m)(d 2 / dx 2 )
A x>0
H = −(h 2 / 2m)(d 2 / dx 2 ) + V
„
Las soluciones a estas ecuaciones son
ψ = Aeikx + Be −ikx , k = (2mE / h 2 )
ψ = Ce
„
ik ′x
+ De
− ik ′x
dentro del pozo, y
k = ( 2m( E − V ) / h )
2 1/ 2
dentro de la barrera.
La fn. de onda dentro de la barrera tiene una parte imaginaria (se va a ¶
y se desprecia), y una parte real que decae exponencialmente con la
distancia dentro de la barrera.
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El principio físico: Efecto
túnel
„
„
„
La penetración está prohibida desde el punto de vista
clásico (E<V), pero la ecuación de onda cuántica no es
cero. Entonces existe esa probabilidad finita de que el
electrón se encuentre dentro de la barrera.
Si dos electrodos con una función de trabajo Φ,
separados por una distancia d, se acercan lo suficiente,
sus funciones de onda pueden traslaparse y generarse
el tunelaje, y, al aplicarles una diferencia de potencial
se obtiene una corriente medible.
La magnitud de la corriente de tunelamiento I, está
dada por:
Iαe ( −2κd )
donde κ se relaciona con la función de trabajo por:
κ = (2mφ / h 2 )1/ 2
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El STM: Microscopio de efecto túnel
El principio físico: Efecto
túnel
„
„
„
En un STM el modelo 1D dado no es suficiente, se utiliza uno de
3D. Lo que se puede extraer de éste es que la corriente de
tunelamiento tiene una dependencia exponencial relacionada con
la separación punta-muestra, o gap de tunelamiento.
De manera burda, puede decirse que la corriente de
tunelamiento disminuye un orden de magnitud con cada
aumento de 1Å en el gap de tunelamiento.
Para una punta suficientemente aguda, la mayoría de la corriente
de tunelamiento fluirá sólo por el ápice, y entonces el diámetro
efectivo de la punta se hace muy pequeño, del orden de las
dimensiones atómicas.
13
Acerca de la punta
„
„
Idealmente se requiere una punta que tenga un
solo átomo en el ápice.
Las puntas se obtienen en general por dos
métodos:
„
„
Preparación mecánica: Se corta una pieza de alambre
delgado de W o Pt-Ir a un ángulo oblicuo con unas
pinzas muy afiladas.
Preparación electroquímica: Se utiliza un agente EQ
(NaOH) para erosionar el alambre mediante una
corriente aplicada. La parte inferior del alambre se
corta en la erosión dejando una punta muy aguda.
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El STM: Microscopio de efecto túnel
Modos de operación
„
Existen principalmente tres modos de operación:
„
„
„
„
„
Corriente constante
Voltaje constante
Modos espectroscópicos
Modos de
imagen
En ambos modos de imagen la punta se acerca y
se aplica entre ella y la muestra una diferencia
de potencial, a partir de una distancia de
separación de ~1nm, empieza a fluir corriente
de tunelamiento entre ellas.
Dicha corriente se monitorea a medida que la
punta barre la superficie.
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Modo de voltaje constante
„
En este caso, el potencial entre la punta y la
superficie (el voltaje de polarización) se
mantiene en un valor constante, y la imagen
obtenida representa la variación de la corriente
de tunelamiento con la posición (xi, yi).
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El STM: Microscopio de efecto túnel
Modo de corriente
constante
„
„
„
„
Este es el modo más utilizado (incluyendo CCMC). En este caso
se registra la corriente de tunelamiento instantánea en cada
posición (xi, yi), y el voltaje de polarización se ajusta por medio
de un ciclo de retroalimentación electrónico de manera que la
corriente de tunelamiento se sostiene en un valor
predeterminado.
Los ajustes en el voltaje de polarización permiten al
piezoeléctrico moverse en dirección vertical, ya que para un
cambio *V se conoce el desplazamiento que debe tener en z el
piezoeléctrico.
La imagen obtenida se representa como desplazamiento de la
punta (altura), zi, contra coordenada superficial (xi, yi).
Aún cuando los contornos de esta imagen son en realidad
variaciones en la densidad electrónica, en el límite de
dimensiones >10Å, la imagen puede proveer una buena
aproximación de la topografía de la muestra.
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Polarización negativa y
positiva
„
„
Imágenes mostrando los estados ocupados (izquierda),
y desocupados (derecha), de una superficie de
Si(111)(7*7).
La adquisición se hizo simultáneamente con
potenciales respectivos de –2V y +2V, y la punta
aterrizada.
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El STM: Microscopio de efecto túnel
Parámetros experimentales
„
„
„
Corriente de tunelamiento
Voltaje de tunelamiento
Resistencia del gap de tunelamiento
„
„
„
Provee una medida de la distancia entre la punta y la
superficie.
Si la punta está muy cerca el gap es pequeño, si está
relativamente lejos, será grande.
La distancia de separación se determina por el
valor inicial de corriente (set-point):
„
„
Valores de I bajo – gap grande
Valores de I altos – gap pequeño
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Parámetros experimentales
„
Rango para la corriente de
tunelamiento:
„
A valores I>>1nA, la
interacción punta-muestra
puede ser tan fuerte que se
cambia la morfología de la
superficie.
Este tipo de daños hacen que
se trate de limitar la
magnitud de la corriente de
tunelamiento utilizada, aún
cuando a menudo a mayor
corriente, mejor resolución
de imagen.
„
„
„
10 pA – 1 nA
Las variaciones en el voltaje de
polarización también causan
efectos en la naturaleza de la
imagen
„
A altos V, se puede alterar la
superficie
• Se logra hasta rayarla (etching)
si la punta se mueve de manera
controlada mientras se aplica un
alto V
„
„
También pueden crearse
superficies nanométricas al
mantener el V=cte
El gradiente del campo eléctrico
en el gap es sustancial aún para
V bajos, a una separación de
~10-10 m, y un V=0.1V, E=109
V/m
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El STM: Microscopio de efecto túnel
El instrumento
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En CCMC
Dr. Valenzuela/Dr. Manuel
Punta típica de W
vista con MO
Vista del STM en la
mesa sobre arena
El STM: Microscopio de efecto túnel
Tamaño de la
cabeza STM A
Con campanas para
minimizar vibraciones
STM en cámara de
alto vacío con LEED
Vista del portamuestras
en cámara de vacío
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Imágenes de oro
„
„
Un sólido cristalino se organiza
de tal modo que siempre busca
el estado de mínima energía.
Al clivar un cristal, los átomos
en la superficie recién formada
casi nunca se quedan en sus
posiciones originales. En
metales, quedan fuera de
equilibrio electrostático, en
semiconductores, se quedan con
enlaces direccionados fuera de la
superficie. Reconstruir las
características superficiales
puede ser muy difícil, pero para
ello se puede emplear LEED.
Imagen de una
superficie limpia de
Au (100)
„
„
Los científicos tratan de
reconstruir las superficies a
partir de las imágenes que
obtiene.
Binnig reportó alguna vez la
reconstrucción de Au(100)
revelando una topografía lisa
con escalones monoatómicos.
Les costó trabajo resolver
átomos indivuduales, pero lo
lograron con Au(111).
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Una imagen muy famosa
„
„
Esta imagen, llamada el “Corral Cuántico”, fue creada por Eigler,
Crommie y Lutz en 1993 en el centro de investigación Almaden
de IBM.
Si los átomos pueden ser transportados de un lugar a otro,
entonces se puede construir o alterar a las móléculas. Esto tiene
potenciales aplicaciones en el diseño de circuitos integrados o
dispositivos biomédicos.
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El STM: Microscopio de efecto túnel
Consideraciones
„
„
„
„
„
„
„
Las muestras deben ser conductoras.
Algunas superficies parecen demasiado lisas al STM, la altura aparente o
corrugación es de 1/100 a 1/10 diámetros atómicos. Entonces, para
resolver átomos individuales la distancia entre punta y muestra debe
mantenerse constante a menos de 1/100 de diámetro atómico o hasta
0.002 nm., por ello el STM debe aislarse de las vibraciones.
Debe tomarse en cuenta que el resultado es una visualización que
permite conocer características de la muestra.
No es una fotografía de los átomos en la superficie. Los átomos parecen
tener superficies sólidas en las imágenes de STM, pero en realidad no las
tienen.
Sabemos que el núcleo de un átomo está rodeado de electrones en
constante movimiento. Lo que parece una superficie sólida es en realidad
una imagen de un conjunto de electrones.
Las imágenes también dependen de ciertos mecanismos de interacción
punta-muestra que no se entienden bien hasta la fecha.
Aún cuando no necesita alto vacío para su operación, es deseable para
eliminar contaminación y además una cámara de vacío aisla de
vibraciones externas.
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Gracias
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El STM: Microscopio de efecto túnel