Microscopía de efecto túnel Electrónica Física. Ingeniero en Electrónica Universidad de Valladolid Lección complementaria Microscopía de efecto túnel El electrón como onda evanescente Palpando los átomos de la superficie Visualización de los estados de BC y BV 7 de noviembre de 2000

Microscopio de efecto túnel (Scanning Tunneling Microscopy, STM) Primer instrumento que generó imágenes reales de superficies con resolución atómica Inventado en 1981 por G. Binnig y H. Rohrer (IBM, Zurich). Nobel en Física 1986. Antecesor de toda una familia de técnicas: microscopías de sonda de barrido (SPM).

El efecto túnel

STM: principio de funcionamiento Sonda: punta conductora extremamente afilada que se sitúa muy cerca de la superficie de la muestra. Entre la punta y la muestra se aplica una tensión V. Si la distancia punta-muestra es pequeña (d~1nm) los electrones pueden atravesar, por efecto túnel, de la una a la otra. El flujo neto depende del signo de V La probabilidad de que un electrón con energía E haga “túnel” depende dramáticamente de la distancia d: T  exp(-2d) , donde  = (2m(U-E) )1/2/hb ; U=altura de la barrera (eV)

STM: la corriente túnel La corriente “túnel” entre la punta y la muestra depende de: Distancia punta-muestra. T  exp(-2d)  TOPOGRAFÍA Altura de barrera. (T/d)/T = -2d  COMPOSICIÓN La tensión aplicada. V  fs(E)-ft(E) La densidad de estados  g(E) con resolución espacial (!?) I   gs(E)·(fs(E)-ft(E))·exp(-2d)dE

STM: Modos de funcionamiento Altura constante imagen: I(x,y) Corriente constante imagen: h(x,y) (en realimentación)

El “microscopio” de sonda de barrido (SPM) Aplicable a otras magnitudes de medida: SPMs

La sonda del STM : “la punta”

Imagen STM con resolución atómica

Formación de imágenes STM (o SPM) El posicionador piezoeléctrico

Formación de imágenes STM (o SPM) El tratamiento de los datos

superficie de Silicio (111) Imagen STM de la superficie de Silicio (111)

superficie de Silicio (111) 7x7 Reconstrucción de la superficie de Silicio (111) 7x7

Ejemplo de información topográfica Escalones monoatómicos en Si (111)

Ejemplo de información topográfica Escalones no monoatómicos en Si (111) 7x7

Localización espacial de los estados Estados de la BC y de la BV en Si (111) BV: enlaces BC: estados antienlazantes

Resolución espacial de los estados GaAs (110) Vs>Vt : túnel a la BC de la muestra (más centrados en el Ga ) Vs<Vt : túnel desde la BV de la muestra (más centrados en el As )

Otros ejemplos Fulereno sobre Si (111)

Otros ejemplos CO sobre Cu (110)

Otros ejemplos Xe sobre Ni (110)

Manipulaciónde átomos mediante SPM Imagen STM de átomos de Fe sobre Cu (111) colocados usando el mismo SPM

Resolución espacial e indeterminación del momento de los estados ¿ g(E) con resolución espacial ?  r ·k > 2 (Principio de incertidumbre) Para r ~ a/2 (0.3 nm)  k > 4/a ~ ktotal  En cada punto de la imagen no vemos un “estado electrónico” (pues estos están deslocalizados) sino una “mezcla de estados electrónicos”, con momentos (y energías) diferentes, de todos los estados de esa banda

Hemos visto ... PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El efecto túnel Qué se ve con el microscopio de efecto túnel Operación de las microscopías de sonda de barrido APLICACIONES Reconstrucciones atómicas en las superficies de semiconductores Topografía de la superficie: escalones y terrazas Impurezas en la superficie Localización de los estados de la BC y de la BV Ejemplos en metales Limitación básica: incertidumbre posición-momento