Microscopía
de Barrido por Tunelaje y de Fuerza Atómica
El Microscopio de Barrido por Tunelaje (STM por
sus siglas en inglés) fue desarrollado
en 1981 por Gerd Benning y Heinrich Rohrer
en los laboratorios de IBM de Zurich,
Suiza. Ello les valió el Premio Nobel
de Física,
en 1996.
El potencial de la técnica es enorme dado
la posibilidad de obtener imágenes de superficies
metálicas a escala atómica. Debido
a la capacidad de proporcionar un perfil tridimensional
de la superficie de la muestra es muy útil
en la caracterización de agregados, textura
y defectos superficiales de los metales. Su uso
abarca únicamente el estudio de materiales
conductores y su nombre se debe a que se utiliza
el efecto túnel para generar la imagen.
Este efecto puede ser explicado a partir de los
conceptos cuánticos de dualidad onda-partícula
y el principio de incertidumbre de Heisenberg.
Para entender este fenómeno, considere
por ejemplo el balanceo de una bola en una colina
con subidas y bajadas sin fricción, según
lo mostrado en la figura 7. Suponga que la bola
está sostenida momentáneamente y
se suelta de la posición A, ésta
rodará cuesta abajo y subirá la
colina hacia la posición C; sin embargo
nunca podrá llegar a una altura mayor que
su punto de origen (A), así que llegará
y a la posición B, y oscilará entre
dichos puntos para siempre. No hay forma por la
cual la bola pueda pasar a la posición
D dentro del dominio de la mecánica newtoniana,
pero esto es exactamente lo que ocurre en el dominio
de la mecánica cuántica. La bola
puede rodar cuesta abajo en la otra cara de la
colina, después de subir hasta la posición
B, ésta se materializa en la otra cara
(D), esto se denomina efecto túnel en la
mecánica cuántica. En un STM dos
metales (punta piezoeléctrica detectora
y metal a analizar) separados por un vacío,
se aproximan a esta situación, en la cual
electrones del metal en estudio juegan el papel
de las bolas y el vacío representa el punto
C. Los electrones no tienen la suficiente energía
para escapar a través del vacío,
pero puede haber intercambio de electrones entre
ambos metales por efecto túnel si éstos
se encuentran suficientemente próximos.
La probabilidad de que esto suceda es grande debido
a que los electrones son partículas de
radio mucho menor a un picométro (10-12
m). La imagen se forma al barrer la punta detectora
del STM la superficie del metal, tal como se representa
en la figura 8 (Horton et al., 2003).
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Fig.
7. Esquema de esferas deslizándose en un
pozo para explicar el efecto túnel
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Fig
8. Benning y Rohrer mostrando el STM y esquema
de su funcionamiento
Más tarde, en 1985 Benning
y Rohrer nuevamente construyeron el Microscopio
de fuerza atómica (AFM); instrumento
mecano-óptico capaz de detectar fuerzas
del orden de los nanonewtons. Al analizar
una muestra, se registran las diferencias
de altura entre el objeto de estudio y una
punta cristalina de forma piramidal acoplada
a un listón microscópico, muy
sensible al efecto de las fuerzas y de sólo
unos 200 µm de longitud.
La fuerza atómica es detectada cuando
la punta está muy próxima
a la superficie de la muestra, entonces
es posible registrar la pequeña
flexión
del listón mediante un haz láser
reflejado en su parte posterior. Un sistema
auxiliar piezoeléctrico desplaza
la muestra tridimensionalmente, mientras
que la punta recorre ordenadamente la superficie.
Todos los movimientos son controlados a
través
de una computadora. La resolución
del instrumento es de aproximadamente 0.2
nm (10-9 m), y la pantalla de visualización
permite distinguir detalles en la superficie
de la muestra con una amplificación
de varios millones de veces.
Fig.
9. Esquema del funcionamiento de un AFM y dos
imágenes de partículas de Au. Finalmente
en la figura se presenta el esquema del funcionamiento
de un AFM y dos imágenes de partículas
de Au obtenidas por esta técnica (Wolf
y Pauler, 1999).
