IntroduçãoIntrodução à à NanociênciaNanociência e à e à NanotecnologiaNanotecnologia

Maria Cristina dos Santos Departamento de Física dos Materiais e Mecânica

mcsantos@if.usp.br

MicroscópioMicroscópio de de tunelamentotunelamento & & aplicaçõesaplicações

Microscópios de sonda: tunelamento e força atômica STM (scanning tunnelling microscope): Phys. Rev. Lett. 49, 57 (1982) AFM (atomic force microscope): Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986)

The Nobel Prize in Physics 1986

Heinrich Rohrer and Gerd Binnig

10-3

10-6

10-9

Além de permitir a visualização de estruturas em escala nanométrica, o microscópio de tunelamento pode ser usado para manipular átomos e fabricar nanoestruturas

Pontos quânticos

Cerca atômica

nanofios

Princípio básico de funcionamento

Princípio básico de funcionamento

Sonda (uma agulha) e amostra devem ser condutores de eletricidade (metais)

Estados eletrônicos de um metal: elétrons na caixa

Densidade de estados: número de estados com energia entre E e E + ΔE

Energia de Fermi EF

Imagem dos estados ocupados de Si(111)

Imagem dos estados desocupados de Si(111)

Phys. Rev. B 70, 073312 (2004)

O princípio de funcionamento do STM baseia-se na forte dependência da corrente de tunelamento com a distância Dois modos de operação: corrente constante ou altura constante

Quando a ponta metálica varre a superfície em corrente constante, a altura é ajustada pelo tubo piezoelétrico – ou seja, a ponta percorre uma linha de densidade de estados constante

STM não nos dá a posição dos núcleos diretamente, mas nos mostra a densidade eletrônica do átomo como um todo

Resolução

Quanto maior a corrugação da densidade eletrônica da superfície, maior o contraste e melhor será a resolução

cobre grafite

Resolução

O traço (1) pode ser interpretado como uma matriz que pode ser desenhada como um mapa (2).

1 2 3 4

O mapa em escala de cinza é transformado em curvas de nível (3) e utilizando técnicas de suavização de curvas (FFT por exemplo) a imagem se transforma (4). Depois é só colorir (abaixo).

Construção de nanoestruturas sobre uma superfície Crommie, Lutz & Eigler, Science 262, 218 (1993)

Um átomo de ferro adsorvido na superfície (111) do cobre, corrente constante

Solução:

M. Kuno, pag. 43

a,b, Molecular orbital images of pentacene on two monolayer NaCl on Cu(111) obtained by STM using a pentacene-terminated tip. Image size 2.5 nm × 2.0 nm; constant current

Nature Chemistry 3,273(2011)