Microscopa de efecto tnel

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Microscopíade efecto túnel

• Electrónica Física. Ingeniero en Electrónica
• Universidad de Valladolid
• Lección complementaria

• El electrón como onda evanescente
• Palpando los átomos de la superficie
• Visualización de los estados de BC y BV

7 de noviembre de 2000
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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).

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El efecto túnel
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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 (d1nm)
  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
Ualtura de la barrera (eV)
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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

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STM Modos de funcionamiento

• Altura constante
• imagen I(x,y)

• Corriente constante
• imagen h(x,y)
• (en realimentación)

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El microscopio de sonda de barrido (SPM)
Aplicable a otras magnitudes de medida SPMs
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La sonda del STM la punta
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Imagen STM con resolución atómica
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Formación de imágenes STM (o SPM)
El posicionador piezoeléctrico
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Formación de imágenes STM (o SPM)
El tratamiento de los datos
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Imagen STM de la superficie de Silicio (111)
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Reconstrucción de la superficie de Silicio (111)
7x7
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Ejemplo de información topográfica Escalones
monoatómicos en Si (111)
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Ejemplo de información topográfica Escalones no
monoatómicos en Si (111) 7x7
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Localización espacial de los estados
Estados de la BC y de la BV en Si (111) BV
enlaces BC estados antienlazantes
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Resolución espacial de los estados GaAs (110)
VsgtVt túnel a la BC de la muestra (más
centrados en el Ga ) VsltVt túnel desde la BV
de la muestra (más centrados en el As )
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Otros ejemplos
Fulereno sobre Si (111)
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Otros ejemplos
CO sobre Cu (110)
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Otros ejemplos
Xe sobre Ni (110)
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Manipulaciónde átomos mediante SPM
Imagen STM de átomos de Fe sobre Cu (111)
colocados usando el mismo SPM
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Resolución espacial e indeterminación del momento
de los estados
g(E) con resolución espacial ?
? ?r ?k gt 2? (Principio de incertidumbre) Para
?r a/2 (0.3 nm) ? ?k gt 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
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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