Microscopía de barrido en túnel (STM): visualizar y manipular átomos
Descubre la microscopía de barrido en túnel (STM): cómo visualiza y manipula átomos en superficies, su historia Nobel y aplicaciones clave en nanotecnología.
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.
Imagen de la reconstrucción en una superficie de oro.
Cómo funciona
El STM se llama microscopio porque hace fotos de objetos diminutos. Pero es diferente: no tiene nada que mirar con nuestros ojos. Es similar a sentir la forma de los objetos sobre una mesa en una habitación oscura: puede dibujar la forma aunque no la haya visto con los ojos. El STM hace esto para objetos muy pequeños. Funciona pasando una aguja metálica afilada de un lado a otro de una superficie, y utiliza la corriente eléctrica en lugar de la fuerza para percibir la forma. Cuando la punta de la aguja metálica afilada se acerca mucho a la superficie de una cosa que se está estudiando, un voltaje entre los dos hace que los electrones fluyan por el espacio que hay entre ellos. Los electrones atraviesan este espacio mediante un proceso denominado tunelización cuántica, que da nombre al STM. Esta pequeña corriente de electrones fluye cuando la punta está casi tocando la superficie. La corriente cambia a medida que la sonda se mueve a lo largo de la superficie. Este cambio es registrado por un ordenador, que lo convierte en una imagen que podemos ver.
La superficie y la punta deben conducir los electrones, por lo que deben estar hechas de un metal o semiconductor. Un tipo de microscopio relacionado detecta la fuerza en lugar de la corriente eléctrica. Este tipo de microscopio se llama microscopio de fuerza atómica.
El STM es algo difícil de hacer, porque necesita una superficie muy limpia y una punta de aguja muy afilada. El STM suele trabajar en el vacío para evitar que las moléculas de aire perturben la superficie, pero también puede trabajar en el aire o en el agua.
Formas en que puede hacer una foto
En primer lugar, la punta se acerca mucho a la superficie de lo estudiado. Esta distancia es de aproximadamente la mitad de un nanómetro. A continuación, la punta se mueve con mucho cuidado de un lado a otro de la superficie. La corriente eléctrica se mide mientras la punta se mueve hacia adelante y hacia atrás (método de altura constante). El STM también puede funcionar ajustando la punta para que la corriente de túnel permanezca igual (método de la corriente constante). Utilizar el método de altura constante es más rápido. El uso del método de corriente constante ayuda a evitar que la punta choque con cosas de la superficie, por lo que puede estudiar cosas más rugosas.
Átomos en movimiento
El STM puede mover un átomo (o una molécula) a un nuevo lugar de la superficie. Para mover un átomo, se mueve la punta de forma que toque el átomo. Entonces la punta tira o empuja el átomo a un nuevo lugar. Mover los átomos permite a los científicos organizarlos en objetos diminutos, para poder probar sus propiedades y ensayar nuevas ideas.
Partes del STM
Las partes de un STM son: la punta de exploración, algo que mueve la punta, algo que impide que vibre y un ordenador que controla la punta y hace la imagen.
Partes de un STM
Un primer plano del cabezal de un sencillo microscopio de barrido en túnel de la Universidad de St Andrews que escanea MoS2 utilizando un palpador de platino-iridio.
Páginas relacionadas
Literatura
- Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunneling microscope, Physical Review B 31, 1985, p. 805 - 813.
- Bardeen, J.: Tunnelling from a many-particle point of view, Physical Review Letters 6 (2), 1961, p. 57-59.
- Chen, C. J: Origen de la resolución atómica en superficies metálicas en la microscopía de efecto túnel de barrido, Physical Review Letters 65 (4), 1990, p. 448-451
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber y E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber y E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber y E. Weibel, Appl. Phys. Lett., Vol. 40, Issue 2, pp. 178-180 (1982)
- R. V. Lapshin, Metodología de barrido orientada a las características para la microscopía de sonda y la nanotecnología, Nanotechnology, volumen 15, número 9, páginas 1135-1151, 2004
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es la microscopía de barrido en túnel?
R: La microscopía de barrido en túnel (STM) es una forma de ver la forma de objetos diminutos. Puede hacer fotos de átomos en una superficie y mover los átomos a diferentes lugares.
P: ¿Quién inventó el STM?
R: El STM fue inventado por Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en 1981 en IBM, en Zúrich.
P: ¿Cuándo lo inventaron?
R: Lo inventaron en 1981 en IBM, en Zúrich.
P: ¿Qué puede hacer el STM?
R: El STM puede hacer imágenes de átomos en una superficie y mover los átomos a diferentes lugares.
P: ¿Ganaron un premio por inventar el STM?
R: Sí, ganaron el Premio Nobel de Física por inventarlo en 1986.
P: ¿Dónde ganaron este premio?
R: Ganaron el Premio Nobel de Física por inventarlo en 1986.
P: ¿En qué año ganaron este premio?
R: Ganaron el Premio Nobel de Física por inventarlo en 1986.
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