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Microscopíade efecto túnel
Electrónica Física. Ingeniero en ElectrónicaUniversidad 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 (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(-2d) ,donde = (2m(U-E) )1/2/hb ; U=altura 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(-2d) TOPOGRAFÍA
• Altura de barrera. (T/d)/T = -2d 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(-2d)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 lasuperficie de Silicio (111)
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Reconstrucción de lasuperficie de Silicio (111) 7x7
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Ejemplo de información topográfica
Escalones monoatómicos
en Si (111)
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Ejemplo de información topográficaEscalones 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: enlacesBC: estados antienlazantes
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Resolución espacial de los estadosGaAs (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 )
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Fulereno sobre Si (111)Otros ejemplos
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CO sobre Cu (110)Otros ejemplos
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Xe sobre Ni (110)
Otros ejemplos
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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
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
¿ g(E) con resolución espacial ?
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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
Hemos visto ...