El microscopio de túnel es una herramienta extremadamente poderosa para estudiar la estructura electrónica de los sistemas de estado sólido. Sus imágenes topográficas ayudan en la aplicación de técnicas de análisis de superficies químicas específicas, lo que conduce a una definición estructural de la superficie. Puede obtener información sobre el dispositivo, las funciones y el significado, así como ver una foto de un microscopio de efecto túnel en este artículo.
Creadores
Antes de la invención de un microscopio de este tipo, las posibilidades de estudiar la estructura atómica de las superficies se limitaban principalmente a métodos de difracción que utilizaban haces de rayos X, electrones, iones y otras partículas. El gran avance se produjo cuando los físicos suizos Gerd Binnig y Heinrich Rohrer desarrollaron el primer microscopio de efecto túnel. Eligieron la superficie de oro para su primera imagen. Cuando la imagen se mostró en un monitor de televisión, vieron filas de átomos dispuestos con precisión y observaron amplias terrazas separadas por escalones de un átomo de altura. Binning y Rohrerdescubrió un método simple para crear una imagen directa de la estructura atómica de las superficies. Su impresionante logro fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 1986.
Precursores
Russell Young y sus colegas inventaron un microscopio similar llamado Topografiner entre 1965 y 1971 en la Oficina Nacional de Normas. Actualmente es el Instituto Nacional de Normas y Tecnología. Este microscopio funciona según el principio de que los controladores piezoeléctricos izquierdo y derecho exploran la punta por encima y ligeramente por encima de la superficie de la muestra. La unidad central del servidor controlada por piezoeléctricos está controlada por el sistema del servidor para mantener un voltaje constante. Esto da como resultado una separación vertical permanente entre la punta y la superficie. El multiplicador de electrones detecta una pequeña fracción de la corriente de efecto túnel que se disipa en la superficie de la muestra.
Vista esquemática
El conjunto del microscopio de efecto túnel incluye los siguientes componentes:
- consejo para escanear;
- controlador para mover la punta de una coordenada a otra;
- sistema de aislamiento de vibraciones;
- ordenador.
La punta suele estar hecha de tungsteno o platino-iridio, aunque también se usa oro. La computadora se utiliza para mejorar la imagen a través del procesamiento de imágenes y para realizar mediciones cuantitativas.
Cómo funciona
El principio de funcionamiento del túnelmicroscopio es bastante complicado. Los electrones en la parte superior de la punta no están limitados a la región dentro del metal por la barrera de potencial. Se mueven a través del obstáculo como su movimiento en el metal. Se crea la ilusión de partículas que se mueven libremente. En realidad, los electrones se mueven de un átomo a otro, pasando a través de una barrera de potencial entre dos sitios atómicos. Para cada aproximación a la barrera, la probabilidad de hacer un túnel es de 10:4. Los electrones lo cruzan a una velocidad de 1013 por segundo. Esta alta tasa de transmisión significa que el movimiento es sustancial y continuo.
Al mover la punta del metal sobre la superficie una distancia muy pequeña, superponiendo las nubes atómicas, se realiza un intercambio atómico. Esto crea una pequeña cantidad de corriente eléctrica que fluye entre la punta y la superficie. Se puede medir. A través de estos cambios en curso, el microscopio de efecto túnel proporciona información sobre la estructura y la topografía de la superficie. A partir de él, se construye un modelo tridimensional a escala atómica, que da una imagen de la muestra.
Túneles
Cuando la punta se acerca a la muestra, la distancia entre esta y la superficie disminuye a un valor comparable al espacio entre los átomos adyacentes en la red. El electrón del túnel puede moverse hacia ellos o hacia el átomo en la punta de la sonda. La corriente en la sonda mide la densidad de electrones en la superficie de la muestra y esta información se muestra en la imagen. La disposición periódica de átomos es claramente visible en materiales como el oro, el platino, la plata, el níquel y el cobre. AspirarEl túnel de electrones desde la punta hasta la muestra puede ocurrir aunque el entorno no sea un vacío, sino lleno de moléculas de gas o líquido.
Formación de altura de barrera
La espectroscopia de altura de barrera local proporciona información sobre la distribución espacial de la función de trabajo de superficie microscópica. La imagen se obtiene mediante la medición punto por punto del cambio logarítmico en la corriente del túnel, teniendo en cuenta la transformación en un espacio divisorio. Al medir la altura de la barrera, la distancia entre la sonda y la muestra se modula sinusoidalmente utilizando un voltaje de CA adicional. El período de modulación se elige para que sea mucho más corto que la constante de tiempo del circuito de retroalimentación en un microscopio de efecto túnel.
Significado
Este tipo de microscopio de sonda de barrido ha permitido el desarrollo de nanotecnologías que deben manipular objetos de tamaño nanométrico (más pequeños que la longitud de onda de la luz visible entre 400 y 800 nm). El microscopio de efecto túnel ilustra claramente la mecánica cuántica midiendo el cuanto de capa. Hoy en día, los materiales amorfos no cristalinos se observan mediante microscopía de fuerza atómica.
Ejemplo de silicio
Las superficies de silicio se han estudiado más extensamente que cualquier otro material. Se prepararon calentando al vacío a una temperatura tal que los átomos se reconstruyeron en un proceso evocado. La reconstrucción ha sido estudiada con gran detalle. Se formó un patrón complejo en la superficie, conocido como Takayanagi 7 x 7. Los átomos formaron pares,o dímeros que encajan en filas que se extienden por toda la pieza de silicio en estudio.
Investigación
La investigación sobre el principio de funcionamiento de un microscopio de túnel llevó a la conclusión de que puede funcionar en la atmósfera circundante de la misma manera que en el vacío. Ha sido operado en aire, agua, líquidos aislantes y soluciones iónicas utilizadas en electroquímica. Esto es mucho más conveniente que los dispositivos de alto vacío.
El microscopio de efecto túnel puede enfriarse a menos 269 °C y calentarse a más 700 °C. La baja temperatura se usa para estudiar las propiedades de los materiales superconductores, y la alta temperatura se usa para estudiar la rápida difusión de los átomos a través de la superficie de los metales y su corrosión.
El microscopio de efecto túnel se utiliza principalmente para obtener imágenes, pero se han explorado muchos otros usos. Se utilizó un fuerte campo eléctrico entre la sonda y la muestra para mover los átomos a lo largo de la superficie de la muestra. Se ha estudiado el efecto de un microscopio de túnel en varios gases. En un estudio, el voltaje era de cuatro voltios. El campo en la punta era lo suficientemente fuerte como para quitar los átomos de la punta y colocarlos en el sustrato. Este procedimiento se usó con una sonda de oro para hacer pequeñas islas de oro en un sustrato con varios cientos de átomos de oro cada una. Durante la investigación, se inventó un microscopio de efecto túnel híbrido. El dispositivo original estaba integrado con un bipotenciostato.
