La microscopía de barrido en túnel (STM) es una técnica que permite "ver" la topografía de objetos extremadamente pequeños. Puede hacer imágenes de átomos en una superficie y, en condiciones controladas, incluso mover átomos para colocarlos en posiciones concretas. Fue inventada por Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en 1981 en los laboratorios de IBM en Zúrich. En 1986 ganaron el Premio Nobel de Física por este logro.
Cómo funciona
Un microscopio de efecto túnel utiliza una punta metálica muy afilada (idealmente con un solo átomo en la punta) que se aproxima a la superficie del material a estudiar a una distancia de sólo unos pocos ångström (10⁻¹⁰ m). Al aplicar una pequeña diferencia de potencial entre la punta y la muestra aparece una corriente de túnel debido a la mecánica cuántica: los electrones atraviesan la barrera vacía entre la punta y la superficie aunque no exista contacto físico. Esa corriente depende de manera extremadamente sensible de la distancia punta–muestra (cae aproximadamente de forma exponencial al aumentar la separación), por lo que midiendo la corriente se puede deducir la topografía con resolución atómica en muchas superficies.
Modos de imagen
- Modo de corriente constante: un sistema de realimentación (feedback) ajusta continuamente la altura de la punta para mantener la corriente tunneling constante. El movimiento vertical de la punta se registra y forma la imagen topográfica.
- Modo de altura constante: la punta se mantiene a una altura fija y se registra la variación de corriente. Este modo es más rápido pero requiere superficies muy planas y excelente aislamiento contra vibraciones para evitar colisiones.
- Espectroscopía STS (Scanning Tunneling Spectroscopy): variando el voltaje entre punta y muestra se pueden obtener datos sobre la densidad de estados electrónicos locales, lo que da información electrónica además de la topográfica.
Manipulación de átomos
La punta del STM no solo detecta la superficie: también puede interactuar con los átomos. Cambiando la distancia, aplicando pulsos de voltaje o ejerciendo fuerzas laterales controladas, es posible mover átomos individuales sobre una superficie, despejarlos o colocarlos para construir estructuras nanométricas. Un ejemplo famoso es el experimento de 1989 de Don Eigler, que usó un STM para colocar átomos de xenón formando las letras "IBM".
Condiciones y limitaciones
- La STM requiere que la muestra sea conductora o semiconductora; no funciona directamente con aislantes a menos que se preparen recubrimientos conductores o se empleen variantes de la técnica.
- La resolución máxima se consigue en vacío ultralto (UHV) y a bajas temperaturas para reducir el ruido térmico y las contaminaciones. No obstante, hay STM que funcionan en condiciones ambientales o en líquidos para aplicaciones específicas (por ejemplo, en electroquímica o biología de superficies).
- El área de escaneo es relativamente pequeña (desde unos pocos nanómetros hasta algunos cientos de nanómetros), y los equipos requieren aislamiento contra vibraciones, control térmico y puntas muy afiladas.
- Los parámetros típicos de operación son corrientes de túnel en el rango picoamperios–nanoamperios y voltajes de milivoltios a unos pocos voltios, según la muestra y la información deseada.
Aplicaciones
- Estudio de la estructura atómica de superficies y defectos.
- Caracterización de materiales bidimensionales (por ejemplo, grafeno) y nanoestructuras.
- Investigación en física de superficies, química de superficies y catálisis.
- Desarrollo de dispositivos nanoelectrónicos y exploración de propiedades electrónicas locales mediante STS.
- Manipulación atómica y construcción de prototipos en la llamada nanotecnología de propósito fundamental.
En resumen, la microscopía de barrido en túnel es una herramienta fundamental en la ciencia de materiales y la nanociencia: permite observar y controlar la materia a la escala atómica, aportando tanto imágenes de alta resolución como información electrónica local que no es accesible con microscopios ópticos convencionales.
