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6. Microscopio de sonda local de ultra alto vacío a baja temperatura para caracterización y manipulación de nanoestructuras, STM.

 

1. Introducción

Richard Feynman, premio Nobel de Física en 1965, durante una conferencia celebrada en el Instituto de Tecnología de California (CalTech), en 1959, titulada "Hay mucho espacio ahí abajo", pronosticó que, tarde o temprano, se podrían mover los átomos de manera individual, y construir configuraciones diferentes de las que existen en la naturaleza.

En 1982, Heinrich Rohrer y Gerd Binnig, dos científicos del laboratorio IBM de Zurich, idearon el microscopio de efecto túnel, y abrieron las puertas a este tipo de manipulación. Debido a su invento, en 1986 fueron galardonados con el premio Nóbel de Física.

Este sistema basa su funcionamiento en un efecto cuántico que ocurre en distancias menores a la milmillonésima parte de un metro (10 -9 m = 1 nm, un nanómetro). El control de este tipo de fenómeno es lo que nos permite hacer topografía de superficies a nivel atómico.

2. ¿Qué es el 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 generar una intensidad eléctrica.

Esta intensidad se denomina intensidad de túnel y es el parámetro de control que nos permite realizar la topografía de superficie.

Este efecto cuántico aparece también en otras ramas de la física. Gamow lo aplicó para dar explicación a la desintegración mediante emisión de partículas alfa en núcleos inestables. En electrónica, hay transistores que basan parte de su funcionamiento en el efecto túnel.

3. Esquema de funcionamiento de un microscopio de efecto túnel

En una instalación cuyo fin es tomar medidas en escala atómica es necesario que el elemento que se usa como sonda de medida tenga una resolución de esa misma escala. En un microscopio de efecto túnel la sonda es una punta conductora, p. ej. de Wolframio. La punta se trata para eliminar los óxidos y para que sea lo más afilada posible, idealmente que en el extremo aparezca un solo átomo.

La instalación consiste en un circuito eléctrico en el que están incluidos la muestra y la punta de medida.

Como hemos dicho, el parámetro de medida es la intensidad de corriente túnel. Esta intensidad apenas alcanza los nanoamperios, y además es muy sensible tanto a la distancia, como a la diferencia de tensión entre la punta y la muestra. Debido a esta sensibilidad todo el sistema está controlado electrónicamente. Así, la toma de medidas y los movimientos de la punta (realizados mediante un piezoeléctrico con precisiónes de hasta 0.05 nm) son controlados por el usuario, a través de las interfases correspondientes, mediante un PC de sobremesa.

4. Nuestro Microscopio

Este microscopio dispone de sonda local (SPM) de alta resolución, que permite realizar medidas de microscopia túnel (STM), en diversos modos de espectroscopia de modulación (STS), incluyendo espectroscopia túnel de imagen de corriente (CITS) y espectroscopia túnel de electrones inelásticos (IETS). Además es apto para realizar microscopia túnel resuelta en espín (SPSTM). Asimismo permite la manipulación a nivel molecular con resolución atómica. Los anteriores requerimientos llevan a que el sistema trabaje en ultra alto vacío para evitar contaminación de las superficies a estudiar y a muy baja temperatura para reducir la movilidad por agitación térmica.

La instalación la podemos dividir en dos zonas diferentes, una cámara de ultra alto vacío para preparación de muestras, y otra cámara de ultra alto vacío donde se encuentra el grupo de medida. A continuación describimos los componentes que tenemos en cada una de ellas.

En la cámara de medida:

- Un Microscopio túnel de barrido (STM) en ultra alto vacío, de alta resolución, con criostato de baño de helio líquido, para trabajar desde 5 K hasta temperatura ambiente. Capaz de trabajar en espectroscopia túnel de modulación (STS, IETS, CITS), con convertidor I-V compensado en offset para corrientes reales por debajo de 1 pA y preamplificador conmutable.

Este elemento es el núcleo de la instalación. Los demás elementos están dedicados a que éste realice su tarea de manera precisa dentro de las condiciones marcadas por el usuario. Para ello, como hemos dicho antes, está alojado en una cámara de ultra alto vacío y amortiguado frente a vibraciones procedentes del exterior.

- Manipulador de puntas y muestras (Wobble Stick).
- Carrusel para almacenamiento de puntas y muestras a temperatura ambiente

Estos dos componentes nos permiten tener una pequeña cantidad de muestras dentro de la cámara de ultra alto vacío, e incluso cambiarlas a baja temperatura.

- Bomba iónica de sublimación de Ti con todos sus accesorios.

Esta bomba nos permite alcanzar las condiciones de ultra alto vacío (10 -11 Torr.). Basa su funcionamiento en la combinación de iones de titanio con los gases residuales de las cámaras y así facilitar su expulsión.

- Criostato de Nitrógeno.

- Resistencia calefactora dentro del criostato de la unidad de medida, que nos permite controlar la temperatura de la muestra.

Con este criostato podemos mantener la temperatura de Helio liquido durante mas tiempo,

- Sensor de temperatura.

En la cámara de preparación tenemos:

- Una barra de transporte lineal calefactable mediante bombardeo con electrones.

Que nos sirve para tratar las muestras y las puntas de medida con el fin de eliminar las impurezas e irregularidades. También es usada para intercambiar los elementos entre las dos cámaras de ultra alto vacío.

- Un LEED (Low Energy Electron Diffraction).

Con el que podemos estudiar la estructura cristalina de la superficie de la muestra, mediante difracción de electrones de baja energía e incluso analizar la composición química de la misma, ya que este elemento también permite realizar espectroscopía de electrones Auger.

- Un evaporador de crisol y un cañón de electrones para evaporación mediante bombardeo electrónico.

Estos elementos tienen como fin darnos capacidad para crecer capas de distintos materiales por evaporación, además de preparar puntas para realizar microscopia resuelta en spin.

- Espectrómetro de masas de tipo cuadrupolo (rango: 1 - 100 uma).

Mediante este elemento somos capaces de identificar los gases residuales en la cámara de preparación, lo que nos permite identificar las posibles fuentes de impurezas.

- Cañón de iones por pulverización catódica.

Este cañón sirve para limpiar la superficie de la muestra mediante bombardeo con iones de argón.

- Una bomba iónica de sublimación de Ti, idéntica a la que hay en la cámara de medida.

 

En el exterior de las cámaras tenemos:

- El sistema electrónico de control del STM y software de adquisición y proceso de datos, escalable para operación en modo AFM. Unidad de control del STM. Software de imagen, espectroscopia y nanolitografía.

Este grupo de elementos engloba a toda la electrónica y el software para la adquisición y análisis de datos

.

5. Capacidad

a) Microscopia con resolución atómica.

Como ya hemos detallado antes, todo el sistema esta diseñado para conseguir este objetivo. En esencia, el proceso consiste en realizar una topografía a intensidad de túnel constante sobre una zona de la superficie de la muestra. El sistema busca los parámetros en los que es capaz de medir una intensidad de túnel prefijada y, a partir de estos, calcula la distancia a la que se encuentra la punta de la superficie. Repitiendo el proceso mientras la punta recorre una determinada área de la superficie problema, finalmente se obtiene una imagen relacionada con la topografía y la estructura electrónica de dicha área.

En la imagen siguiente podemos ver uno de los primeros resultados que hemos obtenido. La muestra es óxido de titanio, y podemos observar parte de la estructura cristalina de este compuesto.

 

b) Caracterización de dominios magnéticos a nivel atómico

La topografía de superficies se realiza mediante una punta de wolframio. Si cambiamos esta punta por una compuesta por un material magnético seremos capaces de realizar caracterizaciones de dominios magnéticos en escala atómica. Además, debido a la capacidad de nuestro microscopio de bajar a muy bajas temperaturas podremos realizar caracterizaciones en función de la temperatura. Este tipo de medidas nos van a dar una información adicional sobre las propiedades magnéticas de los materiales en relación con sus características a escala atómica, en lugar de con sus propiedades macroscópicas.

c) Nanolitografía.

En un breve espacio de tiempo vamos a estar preparados para trabajar en una de las técnicas mas avanzadas de nuestro tiempo, la nanolitografia.

Esta técnica nos va permitir manejar átomos sobre superficies como elementos independientes. Las posibilidades de esta tecnología son inmensas dado que prácticamente podemos crear las estructuras atómicas que deseemos.

En la siguiente imagen exponemos un ejemplo de la creación de un "corral" cuántico mediante el desplazamiento de átomos de hierro sobre una superficie de cobalto.

 

 

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