STM: El microscopio de efecto túnel

El microscopio de efecto túnel (Scanning Tunneling Microscope) fue inventado en 1981 por Gerg Binning, y Heinrich Rohrer. Recibieron el premio Nobel por ello en 1986. El STM aprovecha la capacidad de los electrones para atravesar una barrera de potencial, para registrar la corriente eléctrica que se produce entre una punta (o sonda), y la muestra. Un electrón dentro de un metal posee una energía determinada. La superficie del sólido representa una barrera de potencial que debe “saltar” para conseguir salir de ésta. Al acercar otro metal (la sonda), y aplicando un campo eléctrico para dirigir el electrón hacia el metal, se crea una barrera con una distancia lo suficientemente pequeña como para que el electrón sea capaz de hacer túnel, sin necesidad de saltar la barrera.

La corriente que se puede registrar con un amperímetro es proporcional a la probabilidad de que el túnel ocurra. Que a su vez, depende de la distancia entre la punta y la muestra. De esta forma, registrando la intensidad eléctrica, se obtiene información de la distancia a la que se halla la punta.

Un esquema simple de un montaje de un STM consiste en una punta cercana una muestra, registra la intensidad túnel que se produce. La intensidad controla un piezoeléctrico (material que varía su longitud al aplicarle un campo eléctrico) que actúa sobre la punta para acercarla o separarla de la muestra, que se halla montada sobre una mesa x,y que la desplaza. De esta forma, al hacer un recorrido en x e y, la punta barre la muestra, registrando la intensidad que ocurre en cada punto.

Hay varias formas de operar en un STM, aunque la más común es mantener una corriente túnel constante. Esto se consigue manteniendo una distancia entre punta y muestra constante. Según se barre la punta sobre la muestra en los ejes x e y, se va controlando la corriente túnel. Cuando la punta llega un punto donde la muestra tiene valles o salientes, esta corriente va a variar. Esta variación indica que hay que acercar o alejar la punta de la muestra en el eje z, para volver a conseguir la misma corriente, lo cual se hace a través del piezoeléctrico. Un ordenador se registra cuanto ha habido que alejar o acercar la punta en el eje z, en ese punto (x,y) de la muestra, de forma que tras finalizar el barrido se tiene un mapa que muestra las variaciones en el eje z. Es decir, una gráfica que está relacionada con la topografía, la forma de la muestra.

Otra forma de actuar es mantener la posición de la punta constante, y registrar la corriente eléctrica en cada punto de la muestra, que variará al pasar por valles o salientes. Sin embargo, se corre el riesgo de estrellar la punta en algún saliente de la muestra, echando a perder tanto una como otra. El resultado final también da información de la topografía de la muestra.

Habitualmente, los resultados se presentan en forma de mapa x,y con colores, donde el código de colores representa los valores del eje z.

Actúa de microscopio, permitiendo “ver” la superficie de la muestra. La precisión de este instrumento es tal que permite ver los átomos de un sólido. Es útil para estudiar las superficies de los sólidos, y sus propiedades electrónicas. Sin embargo, las muestras deben ser conductoras. Otro de los requerimientos para los STM es que deben funcionar en vacío, lo que conlleva el integrar el sistema dentro de campanas de vacío, con el engorro para cambiar muestras que supone.

Para observar algunas imágenes obtenidas por STM, puedes hacerlo en la página web de nanotec.

Ver El efecto túnel