Microscopía de Barrido por Tunelaje y de Fuerza Atómica

El Microscopio de Barrido por Tunelaje (STM por sus siglas en inglés) fue desarrollado en 1981 por Gerd Benning y Heinrich Rohrer en los laboratorios de IBM de Zurich, Suiza. Ello les valió el Premio Nobel de Física, en 1996.

El potencial de la técnica es enorme dado la posibilidad de obtener imágenes de superficies metálicas a escala atómica. Debido a la capacidad de proporcionar un perfil tridimensional de la superficie de la muestra es muy útil en la caracterización de agregados, textura y defectos superficiales de los metales. Su uso abarca únicamente el estudio de materiales conductores y su nombre se debe a que se utiliza el efecto túnel para generar la imagen. Este efecto puede ser explicado a partir de los conceptos cuánticos de dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Para entender este fenómeno, considere por ejemplo el balanceo de una bola en una colina con subidas y bajadas sin fricción, según lo mostrado en la figura 7. Suponga que la bola está sostenida momentáneamente y se suelta de la posición A, ésta rodará cuesta abajo y subirá la colina hacia la posición C; sin embargo nunca podrá llegar a una altura mayor que su punto de origen (A), así que llegará y a la posición B, y oscilará entre dichos puntos para siempre. No hay forma por la cual la bola pueda pasar a la posición D dentro del dominio de la mecánica newtoniana, pero esto es exactamente lo que ocurre en el dominio de la mecánica cuántica. La bola puede rodar cuesta abajo en la otra cara de la colina, después de subir hasta la posición B, ésta se materializa en la otra cara (D), esto se denomina efecto túnel en la mecánica cuántica. En un STM dos metales (punta piezoeléctrica detectora y metal a analizar) separados por un vacío, se aproximan a esta situación, en la cual electrones del metal en estudio juegan el papel de las bolas y el vacío representa el punto C. Los electrones no tienen la suficiente energía para escapar a través del vacío, pero puede haber intercambio de electrones entre ambos metales por efecto túnel si éstos se encuentran suficientemente próximos. La probabilidad de que esto suceda es grande debido a que los electrones son partículas de radio mucho menor a un picométro (10-12 m). La imagen se forma al barrer la punta detectora del STM la superficie del metal, tal como se representa en la figura 8 (Horton et al., 2003).

   

Fig. 7. Esquema de esferas deslizándose en un pozo para explicar el efecto túnel

 

Fig 8. Benning y Rohrer mostrando el STM y esquema de su funcionamiento

Más tarde, en 1985 Benning y Rohrer nuevamente construyeron el Microscopio de fuerza atómica (AFM); instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewtons. Al analizar una muestra, se registran las diferencias de altura entre el

objeto de estudio y una punta cristalina de forma piramidal acoplada a un listón

 

 

Copyright © Michael Richmond. Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons .

El microscopio electrónico de barrido de túnel microscopios ordinarios enfocar la luz que se emite (o reflejada) de los objetos más pequeños. La resolución de este microscopio se ve limitada por la longitud de onda que la luz. Microscopios empleo que la luz visible no puede resolver los rasgos más pequeños que de eso 500 nm. individuales átomos son mucho - - unos pocos nanómetros de diámetro. justa ¿Hay alguna manera de resolver las características atómicas?

- Pero se trata de una especie de muy diferentes microscopio. Sí. El microscopio de efecto túnel (STM o, para abreviar) se basa en dos principios físicos que han visto en la física de sus cursos de:

1. túnel cuántico de electrones a través de una barrera de potencial 2. el efecto piezoeléctrico

Vamos a ver cómo cada uno contribuye a la MCI.

¿Cómo hacer un túnel proporciona distancias

Considere una partícula con una energía menor que la de una barrera de energía potencial delgada.

En el mundo de la física clásica, la partícula está prohibido de todos los que cruzan la barrera. Pero en el mundo cuántico, hay una pequeña probabilidad de que puede túnel a través de la barrera hacia el otro lado.

 

 

 

Microscopía de Barrido por Tunelaje y de Fuerza Atómica

El Microscopio de Barrido por Tunelaje (STM por sus siglas en inglés) fue desarrollado en 1981 por Gerd Benning y Heinrich Rohrer en los laboratorios de IBM de Zurich, Suiza. Ello les valió el Premio Nobel de Física, en 1996.

El potencial de la técnica es enorme dado la posibilidad de obtener imágenes de superficies metálicas a escala atómica. Debido a la capacidad de proporcionar un perfil tridimensional de la superficie de la muestra es muy útil en la caracterización de agregados, textura y defectos superficiales de los metales. Su uso abarca únicamente el estudio de materiales conductores y su nombre se debe a que se utiliza el efecto túnel para generar la imagen. Este efecto puede ser explicado a partir de los conceptos cuánticos de dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Para entender este fenómeno, considere por ejemplo el balanceo de una bola en una colina con subidas y bajadas sin fricción, según lo mostrado en la figura 7. Suponga que la bola está sostenida momentáneamente y se suelta de la posición A, ésta rodará cuesta abajo y subirá la colina hacia la posición C; sin embargo nunca podrá llegar a una altura mayor que su punto de origen (A), así que llegará y a la posición B, y oscilará entre dichos puntos para siempre. No hay forma por la cual la bola pueda pasar a la posición D dentro del dominio de la mecánica newtoniana, pero esto es exactamente lo que ocurre en el dominio de la mecánica cuántica. La bola puede rodar cuesta abajo en la otra cara de la colina, después de subir hasta la posición B, ésta se materializa en la otra cara (D), esto se denomina efecto túnel en la mecánica cuántica. En un STM dos metales (punta piezoeléctrica detectora y metal a analizar) separados por un vacío, se aproximan a esta situación, en la cual electrones del metal en estudio juegan el papel de las bolas y el vacío representa el punto C. Los electrones no tienen la suficiente energía para escapar a través del vacío, pero puede haber intercambio de electrones entre ambos metales por efecto túnel si éstos se encuentran suficientemente próximos. La probabilidad de que esto suceda es grande debido a que los electrones son partículas de radio mucho menor a un picométro (10-12 m). La imagen se forma al barrer la punta detectora del STM la superficie del metal, tal como se representa en la figura 8 (Horton et al., 2003).

   

Fig. 7. Esquema de esferas deslizándose en un pozo para explicar el efecto túnel

 

Fig 8. Benning y Rohrer mostrando el STM y esquema de su funcionamiento

Más tarde, en 1985 Benning y Rohrer nuevamente construyeron el Microscopio de fuerza atómica (AFM); instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewtons. Al analizar una muestra, se registran las diferencias de altura entre el

objeto de estudio y una punta cristalina de forma piramidal acoplada a un listón

 

 

El STM contiene un alambre delgado con una punta preparados especialmente que se encuentra a unos pocos átomos de ancho. Si colocamos la punta dentro de un micrómetro de la superficie de un material, y aplicar un potencial positivo pequeño en la punta, se crea una barrera de energía potencial para los electrones en la superficie: un espacio de aire que no tienen suficiente energía para cruzar.

Si bajamos la punta hacia la superficie, disminuir el ancho de la barrera.

Si seguimos a bajar la punta hasta que salga dentro de unos pocos nanómetros de la superficie,

finalmente hacer la barrera tan delgado que los electrones pueden hacer un túnel hasta el otro lado - es decir, que puede saltar a la punta.

A medida que ir, se mide una corriente de funcionamiento a través del alambre. Podemos medir esta muy actual con precisión. Llame a que actual.

Ahora bien, si nos deslizamos la punta de la aguja un poco a la izquierda, la distancia exacta entre él y la superficie puede cambiar un poco debido a los golpes y caídas en la superficie. En este ejemplo, las inmersiones superficie hasta una fracción de un diámetro atómico.

Incluso la fracción de un nanómetro puede reducir significativamente la corriente a través del cable, ya que la probabilidad de que pueden hacer un túnel de electrones a través de la barrera es una función muy sensible de su espesor:

-2 * K * x probabilidad de un túnel = C * E

donde x es el espacio entre la superficie y la punta, y k es el número de onda de la onda de probabilidad en la región entre la punta y la superficie.

Así, después de deslizar la punta hacia los lados, nuestro amperímetro muestra que la corriente se ha reducido de su valor anterior de la I. A continuación, colocar la punta verticalmente por lo justo

que la corriente recupera su valor anterior yo.

La distancia que teníamos que mover la punta hacia abajo es exactamente el tamaño de la caída en la superficie. Por varias veces deslizando la punta de lado una pequeña distancia, elevando a continuación, o bajar la punta para mantener una corriente constante, podemos construir una unidimensional perfil de la altura de la superficie. Si luego cambio de la punta en la dirección perpendicular y escanear de nuevo, podemos medir un segundo perfil, distancia a la primera por la anchura de la transición. Repetición de los cambios y las exploraciones, una y otra vez, nos permite crear un perfil de dos dimensiones de la superficie ... que, con la magia de procesamiento de imágenes, se puede convertir en una imagen de dos dimensiones bastante.

En esta imagen, Pt (pequeñas esferas oscuras) y Ni (pequeñas esferas más ligero) comparten el 50% de una superficie de metal. Manchas blancas en la imagen son las impurezas de naturaleza desconocida.

Ahora, una cosa puede estar molestando en este punto: ¿cómo podemos mover la punta de la aguja hacia arriba o hacia abajo o hacia los lados, por una fracción de un nanómetro ...? La respuesta no es pequeña "artes"

Dispositivos piezoeléctricos

Algunos materiales presentan una llamada piezoelectricidad efecto, lo que significa dos cosas:

si apretar (o tirar) dos lados juntos (aparte), que produce un voltaje a través de ellos

y / o

si se coloca un voltaje a través de dos partes, que apriete (ampliar) las dos partes (aparte)

En las imágenes, apretando el material produce una tensión:

o la aplicación de un voltaje altera el material:

Resulta que usted puede comprar actuadores piezoeléctricos que se expanden o se contraen por pequeñas distancias realmente, teniendo en cuenta muy tensiones razonable. incorporado STM Muller casa Jurgen, por ejemplo, utiliza el tubo BM527, que amplía / contratos por 9 nm para cada voltios que se le aplica.

Está claro cómo se podría utilizar un dispositivo piezoeléctrico para mover la punta de la aguja hacia arriba y hacia abajo - el otro pegamento del final de la aguja a un piezo orientado horizontalmente (como en las cifras anteriores). Pero ¿qué pasa con sólo mover la aguja hacia los lados?

Resulta que una forma elegante para mover la punta hacia los lados para distancias cortas (unos pocos cientos de nanómetros) es sujetar dos piezos a los lados opuestos del arnés sujeta el cable:

Variando el voltaje aplicado a la mano izquierda piezoeléctricos, se puede hacer que la mano izquierda de la silla para expandir o contraer una pequeña cantidad. Si la mano derecha se mantiene fija de largo, entonces la aguja celebrada entre ellos se inclinará un poco. Muy pequeño angular inclina resultado en (casi) el movimiento horizontal de la punta.

STM Muller se inclina de manera que la punta se mueve alrededor de 30 nm por voltio de la tensión aplicada.

retratos seleccionados

A partir de IBM "Galería de imágenes de STM":

Aquí se han posicionado a 48 átomos de hierro en un anillo circular con el fin de "corral" algunos electrones estado de la superficie y los obligan a "quantum" estados de la estructura circular. Las ondas en el anillo de átomos son la distribución de la densidad de un conjunto particular de estados cuánticos del corral. Los artistas estaban encantados al descubrir que podía predecir lo que pasa en el corral por la solución del problema de valores propios clásicos de la mecánica cuántica - una partícula en un muro de box.

En primer lugar, una visión desde la parte superior:

Ahora, tome una mirada desde el costado, asomando sobre las puntas de los átomos de hierro:

Con reminiscencias de jardines formales de rock japonés, aquí podemos ver las ondas que rodean las características de la de cobre (111) de la superficie. artistas 'La fortuna dio un giro importante hacia arriba cuando se determinó que las ondas se deben a "la superficie de los electrones del Estado". Estos electrones son libres de vagar por la superficie, pero no para penetrar en el sólido. Cuando uno de estos electrones se encuentra con un obstáculo como un borde de paso, se refleja parcialmente. Las ondas se extiende fuera de los bordes y el paso de varios defectos en la superficie del cristal son sólo las ondas estacionarias que se crean cada vez que una onda se dispersa fuera de algo. Las ondas estacionarias son cerca de 15 Angstroms (aproximadamente 10 veces el diámetro atómico) de cresta a cresta. La amplitud es mayor cerca del borde de paso donde es cerca de 0.04 Angstroms de cresta a valle.

Para obtener más información

La Galería de STM del IBM Almaden Research Center Laboratorio de Visualización.

Otra galería de STM por el Institut für Physik Allgemeine, TU Wien, Austria. Hay un muy buen conjunto de ilustraciones de las ondas de electrones cerca de superficies, con la explicación.

Ejemplos de imágenes de STM que discriminan Co de Cu , gracias al profesor KW Hipps, Departamento de Química de la Universidad Estatal de Washington, y de Servicios Técnicos McAllister.

Anuncio del Premio Nobel en 1986 la mitad de lo que fue dado a dos hombres (Gerd Binnig y Heinrich Rohrer) para la invención de la STM).

El Proyecto SXM tiene un "kit de construcción de STM" con componentes, esquemas e instrucciones. completa Su sitio web ofrece incluso un precio:

Demasiado barato para comprar un kit? Hay muchos sitios que le dirá cómo hacerlo todo usted mismo:

Una casa construida STM El Homebrew STM página Sin embargo, otro hecho en casa STM

Copyright © Michael Richmond. Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons .