Microscopio de Túnel de Barrido y Microscopio de Fuerza Atómica

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE YUCATÁN Facultad de Ingeniería

ADA 2.1 Microscopios para ver los átomos Química Dra. María del Carmen Ponce Caballero

Presenta: Emanuel Argueta Tamayo

Mérida, Yucatán a 31 de Agosto del 2015

ÍNDICE

Introducción…………………………………………………………………………………………….….3 Microscopio de Túnel de Barrido (Scanning Tunelling Microscope)…………………………….…4 Antecedente al Microscopio de Túnel de Barrido (J. S. Villarrubia)………………………4 Creadores……………………………………………………………………………………...….4 Efecto Túnel…………………………………………………………………………………..…..4 Operación de Microscopio………………………………………………………………………5 Elementos…………………………………………………………………………………………5 En la cámara de preparación:………………………………………………………....5 En la cámara de medida:……………………………………………………………..6 Capacidades del STM………………………………………………………………………….6 Microscopio de Fuerza Atómica (Atomic Force Microscope)………………………………………7 Métodos de Empleo……………………………………………………………………………8 1.- De Contacto…………………………………………………………………………8 2.- De No Contacto…………………………………………………………………….8 3.- De Contacto Intermitente (Tapping Mode)………………………………………8 Tabla de Ventajas y Desventajas…………………………………………………………………….8 Conclusión……………………………………………………………………………………………….9 Bibliografía………………………………………………………………………………………………9

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INTRODUCCIÓN

A medida que más cerca deseamos ver, es necesario que utilicemos instrumentos para ello, ya que por simple vista, se nos es imposible. Esa palabra de imposible ya ha tenido varios punto, antes imposible era ver aquellos organismos que deberían de existir y que contaminaban a las personas, causándoles enfermedades y hasta el final, una posible muerte, ósea, las bacterias, luego llegaron los microscopios ópticos y eso cambió. Luego imposible era ver los bloques fundamentales de la materia, percibir un átomo sólo era posible bajo la concepción teórica de estos pero gracias a los microscopios electrónicos, ahora es posible ver e incluso formar figuras de tamaños de un átomo de grosor. La importancia de estos avances apenas se está desarrollando con la nanotecnología, que próximamente veremos en todos lados a nuestro alrededor. El estudio y desarrollo de tecnología es una de las principales aplicaciones de los microscopios electrónicos, en el presente trabajo se presentan al Microscopio de Túnel de Barrido que utiliza el efecto túnel como principio básico de funcionamiento, y al Microscopio de Fuerza Atómica que utiliza las atracciones y repulsiones provocadas por los átomos a distancias muy pequeñas para recoger información, que luego de ser procesada y analizada, es convertida en imágenes que podemos apreciar con nuestra vista. Cada uno de ellos está enfocado para diferentes propósitos, pero convergen en el mismo objetivo: permitirnos ver objetos a una escala manométrica.

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Microscopio de Túnel de Barrido (Scanning Tunelling Microscope) Antecedente al Microscopio de Túnel de Barrido (J. S. Villarrubia) Russell Young, John Ward y Fredric Scire publicaron su documento en 1972, al principio fue poco conocido, pero cerca de 30 años después, cada persona que quisiera aspirar a una carrera de microscopia, tenía que conocerlo. Su trabajo era sobre un tipo de microscopio, para ser preciso, el “Scanning Probe Microscopy”. El que Russell creó fue llamado “Topografiner”, el cual mantenía una distancia constante entre la muestra y la punta del microscopio; las variaciones en el campo podían ser registradas y era lo que utilizaban como información para crear las imágenes que arrojaba finalmente el microscopio.

Creadores Ya en 1981, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer,

del

Laboratorio

IBM

(International

Business Machines) de Zúrich, desarrollaron el microscopio de efecto túnel, un nuevo límite a la escala de la microscopía, que la lleva de la micro a la nanoescala.

Efecto Túnel El fundamento de esta microscopía se basa en complicados modelos cuánticos que pueden explicarse de un modo sencillo de la siguiente manera: Si dejamos caer una pelota desde lo alto de un valle, está rodará colina abajo hasta empezar a subir por el otro lado hasta alcanzar la altura desde donde la soltamos, nos parece muy lógico debido a la conservación de la energía. Para que la pelota cruce el valle y pase la montaña es necesario aplicarle una mayor energía. 4

Sin embargo dentro de la mecánica cuántica esto no es precisamente lo que sucede, debido a que se manejan probabilidades, existirá una mayor probabilidad de que cuando soltemos la pelota, la veamos dentro del valle, pero también existirá la probabilidad de que la veamos del otro lado de la montaña, donde hay condiciones agradables para la pelota, como si hubiese atravesado un túnel que pasa por la montaña, de ahí el nombre del efecto. Ahora hay que pensar que la pelota, no es una pelota, sino una nube de electrones que en lugar de atravesar la montaña, pasan por un vacio que representa una barrera de potencial hasta llegar a la punta del microscopio generalmente hecha de tungsteno. Según la mecánica cuántica, los electrones no están definidos por una posición precisa, sino por una nube de probabilidad. Los electrones que pueden pasar al otro lado de la barrera generan una intensidad de corriente denominada intensidad de túnel y es el parámetro de control que permite realizar la topografía de superficie de la muestra.

Operación del Microscopio El manejo que se le da al microscopio debe de ser llevado a cabo con precisión, debido a las pequeñísimas distancias que existen entre la punta y la muestra. Debido a esta sensibilidad todo el sistema está controlado electrónicamente. Es por eso que la toma de medidas y los movimientos de la punta son realizados mediante piezas eléctricas con precisiones de hasta 0.05 nm y que son controlados por el usuario, a través de las interfaces correspondientes, mediante una computadora.

Elementos La instalación del microscopio se puede dividir en dos zonas diferentes, una cámara de ultra alto vacío para preparación de muestras, y otra cámara de ultra alto vacío donde se encuentra el grupo de medida. A continuación presentan los componentes que se tienen en cada una de ellas. (Aragón) En la cámara de preparación: Una barra de transporte lineal calefactable mediante bombardeo con electrones. Un LEED (Low Energy Electron Diffraction). Un evaporador de crisol y un cañón de electrones para evaporación mediante bombardeo electrónico. Espectrómetro de masas de tipo cuadrupolo (rango: 1 - 100 uma). 5

Cañón de iones por pulverización catódica. Una bomba iónica de sublimación de Ti, idéntica a la que hay en la cámara de medida. En la cámara de medida: Un Microscopio túnel de barrido (STM) en ultra alto vacío, de alta resolución, con criostato de baño de helio líquido, para trabajar desde 5 K hasta temperatura ambiente. Capaz de trabajar en espectroscopia túnel de modulación (STS, IETS, CITS), con convertidor I-V compensado en offset para corrientes reales por debajo de 1 pA y preamplificador conmutable. Manipulador de puntas y muestras (Wobble Stick). Carrusel para almacenamiento de puntas y muestras a temperatura ambiente. Bomba iónica de sublimación de Ti con todos sus accesorios. Criostato de Nitrógeno. Resistencia calefactora dentro del criostato de la unidad de medida, que nos permite controlar la temperatura de la muestra. Sensor de temperatura. En el exterior se tiene El sistema electrónico de control del STM y software de adquisición y proceso de datos, escalable para operación en modo AFM. Unidad de control del STM. Software de imagen, espectroscopia y nanolitografía. Este grupo de elementos engloba a toda la electrónica y el software para la adquisición y análisis de datos.

Capacidades del STM Además de su funcionalidad que tiene como microscopio capaz de crear una imagen representativa que podamos observar, también tiene la capacidad de develarnos características magnéticas de muestras de materiales, esto debido a que se le puede cambiar la punta de wolframio, por otra con propiedades magnéticas. Las lecturas se pueden hacer a diferentes temperaturas, aumentando así, la variedad de propiedades que se pueden estudiar de una muestra. Otra de sus aplicaciones es la nanolitografía, que permite la impresión de patrones de tamaños nanométricos, gracias a la emisión de un haz de electrones a través de la punta del microscopio. El poder realizar grabados a tan mínima escala, empieza a abrir las puertas a la nanotecnología, que sin duda representa uno de los más grandes avances de la humanidad.

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Microscopio de Fuerza Atómica (Atomic Force Microscope) Viendo por primera vez la luz del día en 1986 gracias a la invención de G. Binnig, C. F. Quate, y Ch. Gerber, el microscopio de fuerza atómica es utilizado para obtener la topografía de muestras, así como determinar propiedades físicas como: viscosidad, fuerza eléctrica y fuerza magnética, gracias a un conjunto de sensores para la recopilación de información que luego es procesada y analizada. Las partes fundamentales que conforman un AFM son: la punta, el escáner, el detector, el sistema de control electrónico y el sistema de aislamiento de vibración. (Castrellón-Uribe, 2005)

La manera en que opera el microscopio es mediante la utilización de una sonda o punta afilada de forma piramidal o cónica, la sonda va acoplada a un listón o palanca microscópica muy flexible de sólo unos 200 µm. El principio físico del Microscopio de Fuerza Atómica se basa en que al acercar el cantiléver a la superficie de la muestra, las fuerzas de mecánicas de contacto entre la punta y la muestra doblan el cantiléver según la ley de Hooke. Simultáneamente un detector laser mide esta deflexión a medida que la punta se desplaza sobre la superficie de la muestra generando una imagen de la superficie. La fuerza interatómica que contribuye a la deflexión del cantilever es la fuerza de Van der Waals.

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Métodos de Empleo Dentro de la utilización del microscopio, se pueden emplear diferentes métodos de aplicación para la toma de topografía o medición de propiedades de los materiales deseados, hay veces que es el material el que determina que método debe de emplearse debido a su delicadeza. A continuación se presentan los tres principales métodos de empleo del microscopio de fuerza atómica. (TEMA 9: Microscopia de Efecto Túnel y Fuerza Atómica) 1.- De Contacto: Para este método, se tiene presente que deberá existir un contacto de la punta con la muestra en todo momento, es decir, el paso de la punta para cartografiar la muestra será de manera física. La punta se une al final del cantiléver con una baja constante de resorte, menor que la constante de resorte efectiva que mantienen los átomos de la muestra. Conforme la punta barre la superficie, la fuerza de contacto origina la flexión del cantiléver de modo que éste se adapta a la superficie topográfica de la muestra. 2.- De No Contacto: Se utiliza cuando no se desea dañar por ningún motivo la muestra. Lo que se recolecta de información para generar las imágenes son las interacciones que tiene cantiléver luego de que es puesto a oscilar cerca de su frecuencia de resonancia. 3.- De Contacto Intermitente (Tapping Mode): En esta aplicación, la puntav está en intermitente contacto con la superficie a la vez que la barre. La variación de la amplitud de oscilación de la punta, debida a la amortiguación sobre la superficie es lo que se utiliza como señal de control.

Tabla de Ventajas y Desventajas Microscopio STM STM modo de corriente constante STM modo de altura constante

Ventajas

Desventajas

Tiene una resolución

Solo se puede emplear con

nanométrica

materiales conductores

Óptima para estructuras rugosas por regulación de

Barrido lento

altura Barrido rápido

8

Sólo para superficies muy lisas(