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Scanning Tunneling Microscopy (STM)

¿Qué es STM?

La microscopia de barrido túnel (scanning tunneling microscopy, STM) constituye una herramienta única para obtener imágenes de una superficie sólida con resolución atómica.

Fundamento	Requísitos
Una sonda (punta metálica) se desplaza tan cerca de la superficie que entre sonda y superficie circula una corriente por efecto túnel, corriente que se registra y representa en función de la posición de la sonda.	La muestra a estudiar se debe encontrar en condiciones de ultra alto vacío (mejor que 10E-9), aunque el STM puede operar al aire, en el Laboratorio se usa para estudiar la morfología de muestras, en condiciones de UHV.

El efecto túnel

Es un efecto puramente cuántico, por el cual los electrones de un conductor presentan una probabilidad no nula de atravesar una barrera de potencial (en este caso el vacío), clásicamente impenetrable y alcanzar un segundo conductor. En primera aproximación, la corriente túnel vale

Donde U es el voltaje aplicado entre los dos electrodos (punta y muestra),es la función de trabajo promedio (con Φ≥ eU), y K es una constante con un valor de 1.025 Å-1 (eV)1/2 para el vacío. En general, d es del orden de Å, U es del orden de 1V, e IT es del orden de 1nA.

Principales características de la corriente túnel:

Decae exponencialmente con la distancia entre los conductores, con una constante de decaimiento del orden de una decena de Å.
Depende exponencialmente con la función de trabajo de la superficie.

Ambas características confieren a STM la potencialidad de convertirse en una microscopía con resolución atómica.

Métodos de operación

La corriente túnel depende exponencialmente de la distancia y de la función de trabajo, y depende asimismo de la densidad de estados de sonda y muestra. Para separar los diversos efectos existen varias formas de operar el microscopio.

Barridos manteniendo la distancia d constante. Son relativamente rápidos (1 s. o menos por imagen), pues no hay que rectificar la altura de la sonda. Se registra la corriente túnel (imágenes de corriente), que puede variar por efectos de corrugación o de cambios en la función de trabajo.
Barridos manteniendo la corriente I, constante (imágenes de topografía), para un potencial dado U. Se registran las variaciones de altura de la sonda, que se desplaza para mantener constante la corriente. Se requieren unos minutos en término medio para obtener una imagen, que recoge la distribución espacial de la densidad de estados.
Medida de la función de trabajo. Es una información interesante para separar efectos de corrugación y efectos debidos a cambios en la función de trabajo en las imágenes de topografía. De modo que si se varia rápidamente la distancia promedio d y se mide a la vez la variación de corriente, se puede obtener la función de trabajo
Espectroscopia túnel. El cociente(conductividad de la barrera túnel) se registra para altura d constante a distintas tensiones U, en posiciones bien definidas de la superficie. Esto permite obtener conductividades de orbitales localizados a cualquier energía, en una posición determinada. Variando la posición se puede conocer la distribución espacial de los estados electrónicos.

Sonda

La resolución atómica puede alcanzarse debido a que la mayor parte de la corriente túnel atraviesa la sonda a través del último átomo, debido a la dependencia exponencial con la distancia. Las sondas son generalmente puntas de W o Pt-Ir, preparadas por procedimientos mecánicos (corte) o ataque electroquímico o por aplicación de altos campos en vacío. Una sonda no es generalmente muy estable (vida limitada), y se desconocen los mecanismos detallados que determinan este comportamiento, o la mejor resolución de unas frente a otras.

Montaje experimental

Se debe controlar simultáneamente d y la posición lateral de la sonda con una precisión muy elevada

0.05 ± 0.1 Å para d
1 ± 2 Å para la posición lateral.

Partes del microscopio

Mecanismo de aproximación gruesa, con el que se aproxima la sonda hasta alcanzar el régimen túnel. Dispositivos basados en el empleo de cristales piezoeléctricos, o incluso en dispositivos mecánicos de alta precisión.

Mecanismo de control en régimen túnel. Se trata de uno o varios cristales piezoeléctricos que permiten controlar la distancia d, y a la vez barrer sobre la superficie. Simultáneamente al barrido, se registra la corriente túnel IT que atraviesa el electrodo.

El diseño debe tener en cuenta que se deben minimizar las vibraciones y los desplazamientos debidos a in homogeneidades en la temperatura.

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