7.6: Microscopía de Sonda de Escaneo - STM y AFM
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A principios de la década de 1980 dos científicos de IBM, Binnig & Rohrer, desarrollaron una nueva técnica para estudiar la estructura de la superficie: Microscopía de Túnel de Escaneo (STM). Esta invención fue seguida rápidamente por el desarrollo de toda una familia de técnicas relacionadas que, junto con STM, pueden clasificarse en la categoría general de técnicas de microscopía de sonda de barrido (SPM). De estas técnicas posteriores, la más importante es la Microscopía de Fuerza Atómica (AFM). El desarrollo de estas técnicas ha sido sin duda el evento más importante en el campo de las ciencias de superficie en los últimos tiempos, y abrió muchas nuevas áreas de la ciencia y la ingeniería a nivel atómico y molecular.
Principios básicos de las técnicas de SPM
Todas las técnicas se basan en escanear una sonda (típicamente llamada punta en STM, ya que literalmente es una punta metálica afilada) justo por encima de una superficie mientras se monitorea alguna interacción entre la sonda y la superficie.
La interacción que se monitorea en:
- STM - es la corriente de tunelización entre una punta metálica y un sustrato conductor que están muy cerca pero no realmente en contacto físico.
- AFM - es la fuerza de van der Waals entre la punta y la superficie; esta puede ser la fuerza repulsiva de corto alcance (en modo contacto) o la fuerza de atracción de mayor alcance (en modo sin contacto).
Para que las técnicas proporcionen información sobre la estructura superficial a nivel atómico (que es lo que son capaces de hacer):
- la posición de la punta con respecto a la superficie debe controlarse con mucha precisión (hasta dentro de aproximadamente 0.1 Å) moviendo la superficie o la punta.
- la punta debe ser muy afilada, idealmente terminando en un solo átomo en su punto de aproximación más cercano a la superficie.
La atención prestada al primer problema y la solución de ingeniería al mismo es la diferencia entre un buen microscopio y un microscopio no tan bueno - no tiene que preocuparnos aquí, suficiente para decir que es posible controlar con precisión las posiciones relativas de la punta y la superficie asegurando una buena vibración aislamiento del microscopio y uso de dispositivos de posicionamiento piezoeléctricos sensibles.
La preparación de la punta es una ciencia en sí misma - habiendo dicho eso, es en gran parte serendipia lo que asegura que un átomo en la punta esté más cerca de la superficie que todos los demás.
Veamos la región donde la punta se acerca a la superficie con mayor detalle...
... el extremo de la punta mostrará casi invariablemente una cierta cantidad de estructura, con una variedad de facetas cristalinas expuestas...
... y si ahora bajamos a la escala atómica...
... hay una probabilidad razonable de terminar con una punta verdaderamente atómica.
Si la punta está polarizada con respecto a la superficie por la aplicación de una tensión entre ellas, entonces los electrones pueden hacer un túnel entre los dos, siempre que la separación de la punta y la superficie sea suficientemente pequeña, esto da lugar a una corriente de tunelización.
La dirección del flujo de corriente está determinada por la polaridad de la polarización.
Si la muestra está polarizada -ve con respecto a la punta, entonces los electrones fluirán de la superficie a la punta como se muestra arriba, mientras que si la muestra está polarizada +ve con respecto a la punta, entonces los electrones fluirán desde la punta a la superficie como se muestra a continuación.
El nombre de la técnica surge del mecanismo de tipo túnel mecánico cuántico mediante el cual los electrones pueden moverse entre la punta y el sustrato. La tunelización mecánica cuántica permite a las partículas hacer un túnel a través de una barrera potencial que no podrían superar de acuerdo con las leyes clásicas de la física; en este caso, los electrones son capaces de atravesar la región clásicamente prohibida entre los dos sólidos como se ilustra esquemáticamente en el diagrama de energía abajo.
Este es un modelo sobre-simplista de la tunelización que ocurre en STM pero es un punto de partida útil para entender cómo funciona la técnica. En este modelo, la probabilidad de tunelización depende exponencialmente de la distancia de separación entre la punta y la superficie: la corriente de tunelización es, por lo tanto, una sonda muy sensible de esta separación.
La formación de imágenes de la topología superficial se puede llevar a cabo de una de dos maneras:
- en modo de altura constante (en el que la corriente de tunelización se monitorea a medida que la punta se escanea paralela a la superficie)
- en modo de corriente constante (en el que la corriente de tunelización se mantiene constante a medida que la punta se escanea a través de la superficie)
Si la punta se escanea a lo que es nominalmente una altura constante sobre la superficie, entonces en realidad hay una variación periódica en la distancia de separación entre los átomos de la punta y la superficie. En un punto, la punta estará directamente sobre un átomo de superficie y la corriente de tunelización será grande mientras que en otros puntos la punta estará por encima de sitios huecos en la superficie y la corriente de tunelización será mucho menor.
Por lo tanto, una gráfica de la posición de la punta de la corriente de túnel v muestra una variación periódica que coincide con la de la estructura de la superficie, de ahí que proporcione una “imagen” directa de la superficie (¡y para cuando se procesen los datos, incluso puede parecer una imagen real de la superficie!).
En la práctica, sin embargo, la forma normal de obtener imágenes de la superficie es mantener constante la corriente de tunelización mientras la punta se escanea a través de la superficie. Esto se logra ajustando la altura de la punta por encima de la superficie para que la corriente de tunelización no varíe con la posición de la punta lateral. En este modo la punta se moverá ligeramente hacia arriba a medida que pasa sobre un átomo superficial, y a la inversa, ligeramente hacia la superficie a medida que pasa sobre un hueco.
La imagen se forma luego trazando la altura de la punta (estrictamente, el voltaje aplicado al z-piezo) v es la posición de la punta lateral.
Resumen
En resumen, el desarrollo de las diversas técnicas de microscopía de sonda de barrido ha revolucionado el estudio de la estructura superficial: se han obtenido imágenes de resolución atómica no sólo en sustratos monocristalinos en UHV sino también en muestras a presión atmosférica e incluso en solución. Sin embargo, aún quedan muchos problemas y la interpretación de los datos de SPM no siempre es tan sencilla como podría parecer al principio. Todavía hay mucho lugar para las técnicas estructurales superficiales más tradicionales como LEED.
Esta introducción a la STM se ha concentrado en las aplicaciones de imagen no invasivas de la técnica, sin embargo, existe un interés creciente en usar tales técnicas como herramienta para la modificación real de superficies. Por el momento esto todavía se encuentra en la etapa “gimmicky”, pero las implicaciones a largo plazo de poder manipular la estructura superficial y las moléculas a nivel atómico aún no se han apreciado plenamente: ¡solo podemos esperar el futuro con interés!