A study of surfaces using a scanning tunneling microscope (STM)

Estudio de superficies usando un microscopio de efecto túnel (STM)

Los microscopios de barrido se han convertido en las manos y los “ojos” de experimentadores de nuestro siglo, son herramientas necesarias en los laboratorios de educación e investigación para la caracterización a nanoescalas. El presente artículo presenta las modificaciones en la implementación electrónica (caracterización de los piezoeléctricos y sistema de barrido) y mecánica (diseño de un sistema de antivibración) de un microscopio de barrido de efecto túnel que han permitido visualización y modificación de superficies a nanoescala. Se describe una metodología para la correcta visualización y caracterización de superficies usando el instrumento implementado, alcanzando la cuantificación bidimensional de características de hasta 1300nm², con re- solución ~15nm. Esta metodología, determinada experimentalmente, tiene en cuenta parámetros críticos para la estabilización de la corriente túnel, como lo son la velocidad de barrido y las geometrías y dimensiones de las agujas del microscopio. La versatilidad del microscopio permite modificar y visualizar los defectos introducidos en muestras de HOPG al aplicar voltajes entre la punta del microscopio y la muestra. Los resultados aquí descritos permiten presentar fácilmente los conceptos de barrido topográfico y litografía.

Introducción

El control de la materia a escala atómica es uno de los más importantes retos científicos de los últimos 30 años (Binning y Rohrer, 1987). Este control hace necesario el desarrollo apropiado de herramientas que permitan observar y cuantificar las modificaciones a pequeñas escalas. Visualización y caracterización han sido las tareas en las que los microscopios de barrido se han concentrado, en especial el microscopio de barrido  de  efecto  túnel  (STM,  por sus siglas en inglés).

Su funcionamiento fue introducido por Binning y Rohrer en 1982 (Binning y Rohrer, 1982), y su importancia fue reconocida cuando en 1986 recibieron el Premio Nobel de Física (Binning y Rohrer, 1987) gracias a la descripción a escala atómica de una estructura 7 x 7 de silicio usando el microscopio (Binning y Rohrer, 1983).

La necesidad de un instrumento con el cual realizar espectroscopía local a escala nanométrica fue la motivación principal que dio origen al STM (Binning y Rohrer, 1987). Su versatilidad se hizo evidente cuando ésta y otras técnicas como la potenciometría y la litografía de barrido fueron realizadas usando el mismo instrumento (Doyen et al., 1990) . El STM es principalmente usado como una herramienta de caracterización de superficies con resolución atómica; sin embargo, su experimentación ha demostrado la posibilidad de manipular y crear estructuras de escala nanométrica, dando así la oportunidad de fabricar patrones y geometrías útiles en el posterior diseño de dispositivos electrónicos (Ruess y Oberbeck, 2004).

El avance tecnológico demanda la familiarización y experimentación de las técnicas de microscopía  de  barrido  en  los  programas de ciencia e ingeniería alrededor del país. Los proyectos que implementan kits de bajo costo constituyen una oportunidad para iniciar el montaje de estos microscopios en universidades.