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Sevilla, con el Grupo de Física No Lineal, 22 de enero de 2007 1
STM – Scanning Tunneling Microscopy Microscopia de efecto túnel
Taisia Gorkhover y Daniela Rupp
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Gorkhover&Rupp, con GFNL en Sevilla, 22-01-2007 2
Estructura
Historia de la microscopía electrónica
Principios básicos y magnitudes
Teoría de STM
Construcción y preparaciones del experimento
Grabación y análisis de imágenes con STM
STM – posibilidades y fronteras
SEM – principios y comparación con STM
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www.ieee-virtual-museum.org 3
Historia de la microscopía electrónica
1931 primer microscopio electrónico de Ruska
1933 emisión efecto fotoeléctrico
1935 emisión termoiónica
1936 emisión de campo
1972 emisión de campo con escáner
1982 STM de Binnig/Rohrer, premio Nobel en 1986
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Pricipios básicos y magnitudes
la corriente túnel depende de d y Ubias
distancia d entrepunta y superficie ≈ 5nm
tensión aplicadaUbias≈ 1V
d
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Teoría de STM
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Wagner, Dähne: Seminarskript STM, S. 2 6
Efecto túnel
Modelo sencillo: barrera de potenciál rectangular con anchura d
Ecuación de Schrödinger
Ψ ~ e-κx en la barrera de potenciál
I ~ ⏐Ψ⏐2 ~ e-2κd ⇒
La corriente túnel depende exponencialmente de la
distancia d ⇒ alta resolución
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Visión esquemática
distancia grande: mismo nivel de vacío; Φi trabajo de extracción
distancia pequeña: equilibrio térmico,mismo EF (energíade Fermi)
con tensión: EFempujado por U*e
pequ.
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Teoría del efecto túnel de Baardeen
interacción punta⇔prueba pequeña => teoría de perturbaciones de primer orden con la punta como perturbación
( ) ( )∫ ⋅+⋅+=eU
pFermip
mFermimT dMEEeI
0
24 εερερπh
corriente túnel IT : ρ´s son densidades de estados, aproximación de bajas temperaturas
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Aproximación de Tersoff y Hamann
determinación de la matriz de interacción
Suposiciones:
La densidad de estados en la puntaρp es constante.
Sólo el átomo „más externo“ de la punta interviene en el proceso túnel.
La función de onda de ese átomoproporciona un orbital tipo s.
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Aproximación de Tersoff y Hamann
Ecuación de la corriente túnel:
( ) εερρ dERI pFermi
eU
localmpT ⋅+⋅∝ ∫ ,0
,
ρp : densidad de estados en la punta
ρm,local : densidad de estados local de la muestra con energía EF+ε en la coordenada R del átomo externo de la punta
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Dependencias de la corriente túnel
( ) ( )mFermim
pFermipbiasT ErEUCI ,ρρ ⋅⋅⋅=
IT ~ Ubias : para U pequeño, ρ independiente de U
IT ~ e-κd : viene de ρm (densidad de estado local)
IT ~ ρm(r,EFermi) : importante para interpretación de las imágenes
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Dependencias de la corriente túnel
( ) ( )mFermim
pFermipbiasT ErEUCI ,ρρ ⋅⋅⋅=
Corriente constante significa densidades de estados locales constantes (cerca de EF) en la superficie de
la muestra
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Visualización de las dependencias
la información topográficaes limitada(los escalones son topográficos,los huecos de impurezas no)
el STM reconstruye las densidades de estadosde la muestra y de la punta
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Bonnell: Scanning Tunneling Microscopy, S. 43 14
Scanning-Tunneling-Spectroscopy
coordenada fija (x,y,z)
Ubias variando=> la función característica I(U)
información sobre la estuctura de bandas de los semiconductores
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Modo de corriente constante
Ventaja: óptima para estucturas rugosas por regulacion de altura
Desventaja: barrido lento, errores a causa del piezoeléctricoque se “retarda“
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Modo de altura constante
Ventaja : barrido rápido
Desventaja : sólo para superficies muy lisas(<<5nm)
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Construcción y preparación del
experimento
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Bonnell: Scanning Tunneling Microscopy, S. 11 18
Scanner
lee la corriente de túnel ITlo reacopla al piezoeléctrico
de z
ajusta Ubias y Itúnel requerido
Modo cc: el ordenadorarregla los piezoeléctricos
de x e y
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Wagner, Dähne: Seminarskript STM, S. 8 19
Proceso de aproximaciónProblema:
para cambiar la muestra es necesario una distancia macroscopica (~cm)contacto de túnel solo a distancia mucho más pequeña (~ 0,5-5nm)
⇒ al principio, acercamiento hasta < 0,1mm⇒ después “walker” con longitud de paso < 5nm pero
puede pasar distancia ~ 0,1mm
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Amortiguación de las vibracionesProblema:
d < 5nm => Vibraciones pequeñas pueden romper lapunta
I ~ e-2kd => hasta elongaciones mínimas falsean elresultado
=> la construcción entera, sobre una plataforma, está colgando de muelles
=> imanes dentro de unas placasde aluminio amortiguan con elprincipio de frenado por corriente inducida
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Wagner, Dähne: Seminarskript STM, S. 6 21
Preparación de la punta
La punta monoatomica es condición necesaria para la STM!
punta delgada mediante corrosión con NaOH
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Grabación y análisis de imágenes con STM
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Gorkhover&Rupp, con GFNL en Sevilla, 22-01-2007 23
Dificultades durante la medida
Suciedad sobre lasuperficieIntercambio de materiaentre superficie y puntaVibraciones delpiezoeléctrico por una ganancia erróneaMovimiento térmico
Para medidas y resultados con sentido se tiene que saber reconocer las fuentes de error!
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Perfil de altura
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Perfil de altura
perfil de altura muestra el grosor de la capa de casi 0,3 nm La constante de celda unidad gGaAs = 0,6nm => 1/2 de celda unidad (distancia entre los átomos de Ga y As)
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Evaluación de STS => Energía de la banda prohibida
Se sabe que lamuestra (GaAsN)contiene 3% N
Eg,GaAs = 1,4eVEg,GaN = 3,5eV
Obtenemos paraEg,GaAsN = 1,5eV
Tiene sentido, escerca de Eg,GaAs !
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STMposibilidades y fronteras
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Gorkhover&Rupp, con GFNL en Sevilla, 22-01-2007 28
Sistema muestra-punta
IDEAL
sólo las cualidadesde la muestra
resolución atomica
reproducible
REAL
IT depende de ρEFermi de la puntaperdida de resolución por escalonespuntas multiplesintercambio de material movimiento térmico
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Argonne, University of Chicago 29
SEM-Scanning Electron Microscopy-Microscopía electrónica de barrido
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Argonne, University of Chicago 30
SEM-Principios y magnitudes
Focalización fina del rayode electrones en líneassobre la muestra
Construcción de la imagenpor productos de la interacción de electronesprimarios energéticos(E=30eV) y los átomossuperficiales de la muestra
Topografía (resolución≈nm) y análisis químico
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www2.uni-jena.de/chemie/institute/glaschemie/Anleitung_REM.
pdf 31
Radiación Información
Topografía de la muestra
Distribución de los potenciales eléctrico y magnético
Análisis de los elementos
Orientación cristalográfica
Distribución del dopado
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www.microscopy.ethz.ch 32
SEM-Medida
Construcción típica,muestra en vacío ⇒
Lectura y escritura sincronizadas
intensidad del rayo de escritura modulada porla señal de medida
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J.Phys. Chem. B 2006,110,24112-24120,Archilla et al. 33
Imágenes de SEM
Topografía superficial visible mediante distintos efectos de contraste, ej. contraste por rugosidad
Igual para propiedadesdel material, ej. contrastedel material
Mezcla de ambos procesos
Mica muscovita y disilicato de lutecio tras unatransformación reconstructiva
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Gorkhover&Rupp, con GFNL en Sevilla, 22-01-2007 34
SEM STM
Ventajas
resolución µm⇒nm
muestras biológicas
análisis químico
orientación cristalográfica
Desventajas
no tiene resolución atomica
es necesario el vacío
destrucción de la muestra
no hay información 3-D
errores de aberración
Común: solo para superfícies conductoras