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Microscopía de efecto túnel

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Microscopía de 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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microscop a de efecto t nel
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

microscopio de efecto t nel scanning tunneling microscopy stm
Microscopio de efecto túnel(Scanning Tunneling Microscopy, STM)
  • Primer instrumento que generó imágenes reales de superficies con resolución atómica
  • Inventadoen 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).
stm principio de funcionamiento
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)

slide5

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
STM: Modos de funcionamiento
  • Altura constante
  • imagen: I(x,y)
  • Corriente constante
  • imagen: h(x,y)
  • (en realimentación)
slide7

El “microscopio” de sonda de barrido (SPM)

Aplicable a otras magnitudes de medida: SPMs

slide10

Formación de imágenes STM (o SPM)

El posicionador piezoeléctrico

slide11

Formación de imágenes STM (o SPM)

El tratamiento de los datos

slide12

Imagen STM de la

superficie de Silicio (111)

slide13

Reconstrucción de la

superficie de Silicio (111) 7x7

slide14

Ejemplo de información topográfica

Escalones monoatómicos

en Si (111)

slide15

Ejemplo de información topográfica

Escalones no monoatómicos en Si (111) 7x7

slide16

Localización espacial de los estados

Estados de la BC y de la BV en Si (111)

BV: enlaces

BC: estados antienlazantes

slide17

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 )

slide18

Otros ejemplos

Fulereno sobre Si (111)

slide19

Otros ejemplos

CO sobre Cu (110)

slide20

Otros ejemplos

Xe sobre Ni (110)

slide21

Manipulaciónde átomos mediante SPM

Imagen STM de átomos de Fe sobre Cu (111) colocados usando el mismo SPM

slide22

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

slide23

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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