La Microscopía de Túnel de Barrido permite a los investigadores mapear la superficie de una muestra conductora átomo por átomo con una resolución ultra alta, sin el uso de haces de electrones o luz, y ha revelado conocimientos sobre la materia a nivel atómico durante casi cuarenta años. Esta entrada del blog proporcionará una visión general de alto nivel de lo que es la microscopía de efecto túnel de barrido, cómo funciona y cómo se ha aplicado en la investigación.
¿Qué es la microscopía de efecto túnel de barrido (STM)?
La microscopía de efecto túnel de barrido, o STM, es una técnica de imagen utilizada para obtener imágenes de ultra alta resolución a escala atómica, sin utilizar luz o haces de electrones. El STM fue inventado en 1981 por dos científicos de IBM llamados Gerd Binnig y Heinrich Rohrer. Cinco años después, el invento les valió el Premio Nobel de Física.
El STM fue la primera técnica desarrollada en la clase más amplia de modos de obtención de imágenes de microscopía de sonda de barrido (SPM). En su momento, permitió a los investigadores captar un nivel de detalle mucho mayor que el de cualquier microscopía anterior, hasta los átomos y el espacio interatómico. Esta capacidad de ultra alta resolución permitió a los investigadores cartografiar con precisión la topografía tridimensional y la densidad electrónica de los estados de los materiales conductores, e incluso manipular átomos individuales en la superficie de estos materiales. En las décadas siguientes, el STM ha revolucionado el campo de la nanotecnología y sigue desempeñando un papel importante en la investigación fundamental e industrial en una gran variedad de disciplinas.
Imagen de STM de grafito pirolítico altamente orientado (HOPG)
Adquirida en el aire en un microscopio de sonda de barrido Asylum Research Cypher S, que demuestra la capacidad de resolver la estructura de la red atómica. (5 nm de tamaño de barrido)
¿Cómo funciona el STM?
El STM es un ejemplo notable y poco frecuente de aprovechamiento de un proceso mecánico cuántico (tunelización de electrones) en una aplicación práctica del mundo real. El término «tunelización» se refiere a la situación en la que los electrones atraviesan una barrera (en este caso, un pequeño hueco entre la punta y la superficie) que inicialmente parece que debería ser impenetrable, como lanzar una pelota contra una pared. La física que describe esta interacción bola-pared se denomina «paradigma clásico», y la bola nunca atravesará la pared. Los electrones, por el contrario, tienen un peculiar carácter ondulatorio que los convierte en una nube «difusa» (a diferencia de una pelota), por lo que pueden existir en realidad a ambos lados de la barrera simultáneamente y, por lo tanto, tienen una probabilidad no nula de atravesar la barrera, incluso si la energía de la barrera es mayor que la energía total del electrón.
El STM funciona escaneando una sonda conductora afilada muy cerca de la superficie de un espécimen conductor y forzando a los electrones a atravesar el hueco entre ellos. Cuando la punta está lo suficientemente cerca de la superficie (normalmente a <1 nm de distancia), la nube de electrones difusa del primer átomo de la punta y la superficie comienzan a solaparse. La aplicación de un voltaje de polarización entre la punta y la superficie en esta configuración produce una corriente porque los electrones son impulsados a hacer un túnel a través de la barrera de potencial desde la punta a la superficie a través de la nube de electrones superpuesta. Esta corriente de túnel es muy sensible a la distancia entre la punta de la sonda y la superficie, variando exponencialmente con la distancia punta-muestra. A medida que la punta escanea línea por línea a través de la superficie de la muestra, la intensidad de la corriente de túnel mapea la densidad electrónica de estados de la muestra.
El STM opera en dos modos distintos: modo de altura constante y modo de corriente constante. El modo de altura constante se utiliza generalmente cuando la superficie de la muestra es muy lisa. En este modo, la punta de la sonda se mantiene a una altura determinada mientras recorre rápidamente la muestra. Al medir los cambios en la intensidad de la corriente de túnel en función de la posición (x,y) y el voltaje de polarización, los investigadores pueden construir una imagen de la densidad electrónica de estados de la superficie de la muestra, los defectos, los orbitales moleculares de frontera, etc.
El modo más popular se conoce como el modo de corriente constante. En este modo, la corriente de túnel se mantiene constante mediante el uso de un sistema de bucle de retroalimentación que ajusta la distancia entre la punta y la superficie. Es decir, si la corriente de tunelización supera el valor objetivo, el sistema de control de retroalimentación aumentará la distancia entre la punta y la muestra; si la corriente de tunelización es inferior al valor de corriente objetivo, el sistema de control de retroalimentación acercará la punta a la superficie de la muestra. El perfil de distancia tridimensional resultante en función de la posición (x,y) puede ayudar a los investigadores a medir una amplia gama de características, como la rugosidad de la superficie, los defectos y el tamaño y la conformación de las moléculas en la superficie.
Los STM pueden funcionar en una amplia gama de condiciones ambientales diferentes. A menudo, los STM se clasifican como STM ambientales o STM de ultra alto vacío (UHV). Los STM de ambiente suelen funcionar en aire u otros gases a una temperatura cercana a la ambiente. Con puntas aisladas especializadas, los AFM ambientales también pueden funcionar en líquidos. Oxford Instruments Asylum Research ofrece capacidades de STM ambientales tanto en nuestros SPMs MFP-3D como en los SPMs Cypher.
Los STMs UHV difieren, obviamente, en que operan bajo un vacío muy alto. Esto se hace a menudo en sistemas UHV altamente especializados en los que se cultiva o graba la muestra y luego se obtienen imágenes in situ. Su funcionamiento en vacío les permite operar en un rango de temperaturas muy amplio, desde casi cero Kelvin hasta más de 1000°C. Asylum Research no ofrece STMs UHV, aunque el grupo de Nanociencia de Oxford Instruments produce equipos UHV que a veces se utilizan con STM.
¿Cuáles son los usos del STM en la investigación?
Desde su descubrimiento, el STM ha sido responsable de importantes avances en nanotecnología y ha permitido realizar novedosas investigaciones en diversas disciplinas, como la ciencia de los semiconductores, la electroquímica y la química de superficies, entre otras.
Al principio, el STM se utilizaba para caracterizar la topología de diferentes metales y delinear la estructura atómica de sus superficies. Por primera vez, los investigadores pudieron discernir las propiedades a escala atómica de los materiales, incluyendo la rugosidad de la superficie, los defectos y los mecanismos de reacción de la superficie. Al investigar las retículas atómicas de los materiales, los investigadores pudieron empezar a comprender propiedades relevantes para la fabricación de componentes electrónicos, como la conductividad, las distribuciones de los orbitales moleculares de frontera y sus energías, y las dependencias de la reacción en las orientaciones de las facetas del cristal, por nombrar algunas.
Con el paso de los años, el STM empezó a emplearse para una variedad de aplicaciones fuera de la obtención de imágenes a escala atómica. Se ha utilizado para ensamblar y manipular átomos individuales en una superficie. Esto abrió nuevas perspectivas para la nanotecnología, incluida la generación de nanoestructuras como corrales cuánticos e interruptores moleculares. Los contactos en los nanodispositivos también pueden construirse con el STM depositando metales (como el oro, la plata o el tungsteno) en un patrón específico. Los investigadores también han utilizado los STM para inducir reacciones químicas y estudiar los subsiguientes mecanismos de reacción a nivel molecular.
Los STM ambientales se utilizan habitualmente para investigar la estructura de las moléculas autoensambladas en las superficies porque a menudo pueden resolver moléculas individuales e incluso la estructura submolecular. Por ejemplo, la siguiente imagen muestra claramente moléculas individuales de ácido 5-octadecoxi-isoftálico en una monocapa autoensamblada sobre HOPG.
Imagen de STM de una monocapa autoensamblada de ácido 5-octadecoxi-isoftálico sobre grafito pirolítico altamente orientado.
Los modelos moleculares se superponen para enfatizar el ordenamiento molecular. Imágenes en un Cypher AFM, barrido de 15 nm. Muestra por cortesía de Matt Blunt, Universidad de Nottingham.
Más recientemente, se utilizó el STM de baja corriente en el Cypher ES para resolver detalles a nivel de molécula única en capas autoensambladas de níquel octaetilporfirina (NiOEP) sobre HOPG. La capacidad de obtención de imágenes a baja corriente puede proporcionar una mayor resolución al permitir que el STM funcione con corrientes de tunelización tan bajas como 300 femtoamperios. Las imágenes siguientes muestran imágenes de STM de altura constante, pero la nota de aplicación completa demuestra una resolución similar en el modo STM de corriente constante. Aunque el Cypher proporciona una resolución excepcional utilizando el STM, vale la pena señalar que el Cypher utilizando la microscopía de fuerza atómica (AFM) en modo tapping puede realmente rivalizar con esa resolución.
Imágenes de corriente STM de altura constante de la red 2D de NiOEP sobre HOPG
(A) Barrido de estudio de 50 nm que muestra el límite del grano de NiOEP (flechas blancas), las regiones de zoom y el patrón de muaré con un punto de ajuste de 6,4 pA. (B) Región de 10 nm ampliada con un punto de ajuste de 300 fA. (C) Región ampliada de 5 nm que muestra una resolución molecular de sub-nm obtenida con un punto de ajuste de 60 pA. Inserto: el modelo molecular CPK de NiOEP.