Microscopíade efecto túnel

Electrónica Física. Ingeniero en ElectrónicaUniversidad de Valladolid

Lección complementaria

• El electrón como onda evanescente• Palpando los átomos de la superficie• Visualización de los estados de BC y BV

7 de noviembre de 2000

Microscopio de efecto túnel(Scanning Tunneling Microscopy, STM)

• Primer instrumento que generó imágenes reales de superficies con resolución atómica

• Inventado en 1981 por G. Binnig y H. Rohrer (IBM, Zurich). Nobel en Física 1986.

• Antecesor de toda una familia de técnicas: microscopías de sonda de barrido (SPM).

El efecto túnel

STM: principio de funcionamiento

• Sonda: punta conductora extremamente afilada que se sitúa muy cerca de la superficie de la muestra. Entre la punta y la muestra se aplica una tensión V.

• Si la distancia punta-muestra es pequeña (d~1nm) los electrones pueden atravesar, por efecto túnel, de la una a la otra. El flujo neto depende del signo de V

• La probabilidad de que un electrón con energía E haga “túnel” depende dramáticamente de la distancia d:

T exp(-2d) ,donde = (2m(U-E) )1/2/hb ; U=altura de la barrera (eV)

STM: la corriente túnel

La corriente “túnel” entre la punta y la muestra depende de:

• Distancia punta-muestra. T exp(-2d) TOPOGRAFÍA

• Altura de barrera. (T/d)/T = -2d COMPOSICIÓN

• La tensión aplicada. V fs(E)-ft(E)

• La densidad de estados

g(E) con resolución espacial (!?)

I gs(E)·(fs(E)-ft(E))·exp(-2d)dE

STM: Modos de funcionamiento

• Altura constante

imagen: I(x,y)

• Corriente constante

imagen: h(x,y)

(en realimentación)

El “microscopio” de sonda de barrido (SPM)

Aplicable a otras magnitudes de medida: SPMs

La sonda del STM : “la punta”

Imagen STM con resolución atómica

Formación de imágenes STM (o SPM)

El posicionador piezoeléctrico

Formación de imágenes STM (o SPM)

El tratamiento de los datos

Imagen STM de lasuperficie de Silicio (111)

Reconstrucción de lasuperficie de Silicio (111) 7x7

Ejemplo de información topográfica

Escalones monoatómicos

en Si (111)

Ejemplo de información topográficaEscalones no monoatómicos en Si (111) 7x7

Localización espacial de los estados

Estados de la BC y de la BV en Si (111)

BV: enlacesBC: estados antienlazantes

Resolución espacial de los estadosGaAs (110)

Vs>Vt :túnel a la BC de la muestra(más centrados en el Ga )

Vs<Vt :túnel desde la BV de la muestra(más centrados en el As )

Fulereno sobre Si (111)Otros ejemplos

CO sobre Cu (110)Otros ejemplos

Xe sobre Ni (110)

Otros ejemplos

Manipulaciónde átomos

mediante SPM

Imagen STM de átomos de Fe sobre Cu (111) colocados

usando el mismo SPM

Resolución espacial e indeterminación del momento de los estados

r ·k > 2 (Principio de incertidumbre)

Para r ~ a/2 (0.3 nm) k > 4/a ~ ktotal

En cada punto de la imagen no vemos un “estado electrónico” (pues estos están deslocalizados) sino una “mezcla de estados electrónicos”, con momentos (y energías) diferentes, de todos los estados de esa banda

¿ g(E) con resolución espacial ?

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO• El efecto túnel• Qué se ve con el microscopio de efecto túnel• Operación de las microscopías de sonda de barrido

APLICACIONES• Reconstrucciones atómicas en las superficies de semiconductores• Topografía de la superficie: escalones y terrazas• Impurezas en la superficie• Localización de los estados de la BC y de la BV• Ejemplos en metales• Limitación básica: incertidumbre posición-momento

Hemos visto ...