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Omar X. Avelar
30 de Septiembre del 2009
Microscopio de Efecto Túnel
1. CONCEPTO
Un microscopio de efecto túnel (scanning tunneling microscope) o STM por sus siglas en ingles es un instrumento el cual permite ver superficies a nivel atómico. El instrumento toma mediciones basadas en los niveles de energía1 basadas en una corriente de túnel.
Este concepto es de corriente de túnel viene a un fenómeno llamado tunelaje cuántico, este fenómeno ocurre a escalas nanometricas (nm) y que al haber una dualidad de onda­partícula, entonces los estados de energía de los átomos son discretos y cada sistema tiene una función de onda el cual nos indica la probabilidad de encontrar la partícula en cierto estado.
Estas partículas al estar limitadas en un potencial finito presentan una probabilidad de penetración y otra probabilidad de rebote de acuerdo a su función de onda.
Representación de efecto túnel de una partícula a través de una superficie.
Aplicando este concepto de tunalaje cuántico entonces supongamos que se coloca punta conductora sobre la superficie a ser examinada después se establece una una barrera (fijada como un voltaje de polarización) y se mide una corriente de túnel que pasa a través de la punta. Esta corriente se encuentra en función de la posición de la punta, el voltaje de polarización (energía de la barrera) y lo que se conoce como Local Density of States2. Al fijar la distancia y el voltaje de polarización entonces tenemos una corriente en función al estado atómico de la zona que se mide (LDOS).
Imagen reconstruida de un barrido a una placa de oro.
Típicamente se hace un barrido con esta punta sobre la superficie a medir y se almacenan los datos de la corriente de túnel respecto a la posición y así hacer un mappeo de esto y mostrarlo a manera de imagen.
1
2
Density of States (DOS) nos indica los niveles de energía posibles en un sistema.
El Local Density of States (LDOS) nos indica los niveles de energía posibles en un sistema sobre un espacio determinado.
2. FUNCIONAMIENTO
Los componentes de un STM básico son: una punta de barrido, un sistema piezoeléctrico para controlar la altura y la posición respecto a la superficie a medir, una forma para poder acercar la muestra a la punta, aislamiento de vibración y una pantalla para visualizar la imagen.
Componentes claves de un SMT.
Como el instrumento es muy sensible a pequeños cambios de distancia respecto la muestra y la punta, es requerido y muy recomendable tomar en consideración la etapa de aislamiento de vibración.
El tubo de piezoeléctrico con electrodos tiene como función el de actuar para establecer el posicionado de punta en los ejes del espacio [x, y, z] respecto a la muestra. Se utilizo un concepto denominado disk scanner3 inventado por John Alexander, Marco Tortonese y Thai Nguyen.
El disk scanner esta construido por un unimorph disk que consiste en uno de los dispositivos piezoeléctricos mas comunes (buzzers), estos están construidos por un disco cerámico y un disco de metal para hacerlos mas robustos. El piezoeléctrico se expande o contrae al aplicarle un campo eléctrico. Un unimorph disk típico se dobla hacia arriba y hacia abajo.
Piezoeléctrico desde arriba
3
Piezoeléctrico lateral
Patente US5866902: Atomic force microscope with integrated optics.
Piezoeléctrico desplazado
al aplicar un campo eléctrico
El disco fue modificado para obtener un desplazamiento de la punta en los tres ejes espaciales. Se dividen los electrodos en 4 zonas como se muestra a continuación:
Si se cambia el voltaje en los electrodos opuestos (lo que se observa como parejas en la figura) se va obteniendo un desplazamiento en esas zonas capaz de simular un ligero movimiento en el plano x, y si se pone la punta al centro.
Y al acomodar todos al mismo tiempo también podemos obtener un desplazamiento en el plano z.
Desplazamiento de la punta en el plano espacial
en función al voltaje de los electrodos del disco.
Para la construcción de este disco se extrae el disco de un buzzer comercial conociendo su sensibilidad y frecuencia de resonancia y con un cuchillo se divide en cuatro cuadrantes como explicado anteriormente.
En la imagen de la izquierda podemos observar como la punta de medición ya se encuentra montada al centro del disco y los electrodos posicionados y conectados.
Para montar la punta se utilizo un tubo pequeño de plástico rígido y así proveer aislamiento eléctrico entre la punta y el disco. La siguiente parte consiste en el diseño de la electrónica las cuales pueden ser divididas en varias etapas.
2.1 Pre­amplificador de corriente de efecto túnel.
Consiste en un amplificador de corriente a voltaje, el amplificador operacional intenta mantener la punta de medición a nivel de tierra, con un acomodo de resistencias en el lazo de retroalimentación para subir la resistencia de entrada a a 100 MΩ.
2.2 Calculando el error de la señal.
Se encuentra un amplificador de diferencias después de la etapa de preamplificación, se le resta el punto de calibración a la corriente de efecto túnel para obtener una señal de error.
2.3 Etapa de control integradora.
Un amplificador integrador con periodo de integración ajustable determinado por el arreglo RC de la retroalimentación. Al incrementar el periodo de integración se obtiene mejor estabilidad pero aumenta el número de errores.
2.4 Buffer para la polarización de la muestra.
Un seguidor de voltaje con un potenciómetro en su entrada que recibe el voltaje de polarización de la la punta de prueba.
3. OPERACIÓN
Para este diseño, se requieren dos generadores de funciones y un osciloscopio con canales X, Y (posición) y Z (intensidad). Los generadores de señales producen el barrido de X y Y al provocar un desplazamiento de acuerdo a nuestro disk scanner y también van conectados a los canales X y Y del osciloscopio para determinar el posicionamiento de cada píxel a evaluar.
Mientras que la salida de la etapa de control integradora (que no es nada mas que un voltaje proporcional a la corriente de efecto túnel filtrado) va conectada la terminal Z del osciloscopio y su vez al eje vertical Z del disk scanner para retro­
alimentar la variable a medir y obtener un barrido de la superficie.
A la izquierda se puede observar el osciloscopio y los dos generadores de funciones, y a la derecha una prueba de este diseño de STM obteniendo una imagen de una un difractor recubierto por una capa de 1mm de oro, las lineas de la imagen representan trazas de este recubrimiento que sirven para provocar difracción en el haz de luz.
4. REFERENCIAS
[ 1 ] “Simple STM Project”, Scanning Probe Microscopy, John D. Alexander.
http://www.geocities.com/spm_stm