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