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Microscopios de barrido con sondas


(Scanning probe microscopes)


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Uno de los instrumentos clave en la micro y nano ciencia son los microscopios de barrido con sonda. Consisten básicamente en una plataforma y una sonda que efectúa un barrido o escaneado de la muestra. El barrido puede hacerse moviendo ya sea la sonda o la plataforma, mediante actuadores de gran precisión. Los actuadores son un factor clave de esta tecnología. La sonda puede elevarse o bajarse, con lo que se tiene un sistema con tres ejes coordenados, por una parte un plano x-y de barrido y por otra parte una altura z, con lo cual se puede estudiar el relieve o la topografía de las microestructuras. No sólo se mide la geometría de la muestra sino que según el tipo de sonda usada se pueden medir también propiedades químicas, térmicas, eléctricas o mecánicas, con lo cual se abre una ventana muy amplia de información, que permite estudiar las propiedades de los nanomateriales.

Algo que se nota a primera vista al ver uno de estos microscopios es que suelen estar montados en sistemas antivibración, con bloques de material esponjoso que amortiguan los ruidos o sacudidas que pudieran venir del exterior del laboratorio. Por muy pequeñas que fuesen estas sacudidas, afectarían grandemente los resultados o podrían provocar choques indeseables entre piezas, ocasionando la rotura de las frágiles puntas de medición.

Generalmente el movimiento entre la sonda y la muestra se realiza con actuadores piezoeléctricos que pueden controlarse muy finamente y a su vez todo el sistema está controlado por computadora. De esta manera mover un objeto con gran precisión se hace fácil. Una gran ventaja es que el sistema se puede calibrar por software, es decir, los pequeños errores que resultan de la no linealidad de los actuadores se cargan en una tabla de corrección y al realizar las mediciones estos errores se restan automáticamente. La sonda en sí puede ser de varios tipos y a continuación detallaremos un poco en que consiste cada uno.

Microscopio de efecto Túnel

El microscopio de efecto túnel (o STM por su sigla en inglés) es el antecesor de todos los microscopios de barrido con sonda. Lo inventaron en 1981 los investigadores de IBM Gerd Binnig y Heinrich Rohrer. Cinco años después ganaron el premio Nobel en física por su invento. El STM fue capaz de generar imágenes directas de superficies con resolución atómica. Se lograba no solo ver los átomos individuales sino también medir sus propiedades electrónicas, una hazaña para la cual incluso el premio Nobel parece poco.

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Anteriormente era posible obtener información sobre estructuras cristalográficas a nivel atómico por ejemplo por difracción de rayos X, pero estas no eran imágenes directas sino patrones de interferencia que debían procesarse matemáticamente mediante Transformadas de Fourier, lo cual no solo era complicado sino que requería estructuras muy regulares y ordenadas tal como cristales.

El microscopio de efecto túnel por el contrario era de una simplicidad asombrosa, a tal punto que en 1996 un estudiante llamado Jim Rice, logró construir uno en su garaje por solo doscientos dólares, cabe aclarar que era amigo de un investigador que le presto algunas piezas difíciles de conseguir como los actuadores piezoeléctricos .

El microscopio de efecto túnel usa una punta muy fina afilada, conductora de la electricidad con un voltaje aplicado entre la punta y la muestra. Cuando la punta se a cerca a una distancia de aproximadamente diez angstroms, o un nanómetro de la muestra, los electrones de la muestra sufren el efecto túnel y saltan de la muestra a la punta o viceversa, dependiendo del signo del voltaje. La corriente de efecto túnel generada varía de acuerdo a la distancia entre la muestra y la punta, y esta es la señal que se utiliza para crear la imagen. Para que ocurra el efecto túnel tanto la muestra como la punta deben ser conductores o semiconductores. Esto es una limitación, ya que impide tomar imágenes de materiales aislantes.

La corriente del efecto túnel es una función exponencial de la distancia entre la punta y la muestra, y esto le da una gran precisión. Pueden obtenerse resoluciones en la alturas mucho menores que un angstrom, con una resolución lateral a escalas atómicas.

El microscopio puede operar en dos modos diferentes, altura constante o corriente constante. En el modo de altura constante la punta se mueve horizontalmente sobre la muestra y la corriente varia según la topografía y las propiedades electrónicas de la muestra. En el modo a corriente constante se usa un lazo de control que ajusta la altura de la sonda de manera tal que se mantiene la corriente de efecto túnel constante en cada punto a medir.

El método de altura constante tiene la ventaja de que es mas rápido ya que no se tiene que mover el escáner en la dirección vertical, pero como contrapartida solo provee información útil para superficies relativamente lisas. El modo de corriente constante puede medir superficies irregulares con gran precisión, pero la medición lleva más tiempo. En principio puede considerarse aproximadamente que la corriente de efecto túnel suministra una imagen de la topografía de la muestra, en realidad lo que se mide es un mapa de la densidad de estados electrónicos en la superficie.

En cierta forma esto es un inconveniente. Si uno esta interesado en medir la topografía por ejemplo puede suceder que la corriente de efecto túnel caiga abruptamente en una zona de la muestra que está oxidada. Si esto sucede en modo de corriente constante el microscopio intentará mover la punta para tratar de mantener el valor de la corriente y esto dará lugar a una micro catástrofe, la punta se estrellara contra la superficie. Por otro lado la sensibilidad del microscopio a cambios en la estructura electrónica puede ser una ventaja tremenda, ya que permite detectar detalles de la composición de la muestra a escala verdaderamente atómica. Otras técnicas para obtener esta información solo permiten obtener valores promedio a lo largo de áreas que van de micrones a milímetros.

Microscopio de fuerza atómica.

El microscopio de fuerza atómica o AFM por sus siglas en inglés, muestrea la superficie mediante una punta muy pequeña de unos pocos micrones de largo y un diámetro mas pequeño aún, de unos diez nanómetros.

La punta esta adherida a una barra flexible o cantilever. Esta barra es como una "viga en voladizo" miniaturizada y se dobla cuando la punta hace contacto con la muestra. La flexión del cantilever se mide a través de un detector al mismo tiempo que se efectúa un barrido sobre la superficie de la muestra. Dado que todo esto ocurre dentro de unas dimensiones muy pequeñas el barrido ocurre a gran velocidad, en comparación con lo que sucedería con una sonda y una barra flexible macroscópica.

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El barrido puede consistir en mover la punta en distintas partes de la muestra o mover la muestra y dejar la punta fija. La deflexión del cantilever en cada punto se registra mediante la computadora y se genera un mapa del relieve de la muestra. Los microscopios de fuerza atómica a diferencia del microscopio de efecto túnel se pueden usar para todo tipo de muestras, ya sean conductores, aislantes o semiconductores.

Las fuerzas que actúan sobre el cantilever son varias. Una de ellas es la fuerza de Van del Waals que ocurre entre átomos. Esta fuerza puede ser de atracción o de repulsión, dependiendo de la distancia entre los átomos.

Esto da lugar a dos modos de operación, el modo con contacto y modo sin contacto. En el modo con contacto el cantilever se sitúa a unos pocos angstroms de la superficie y la fuerza interatómica es de repulsión. En el modo sin contacto la punta se mantiene a decenas o cientos de angstroms de la superficie y las fuerzas son de atracción. La mayoría de los AFM comerciales detectan la posición del cantilever con métodos ópticos, uno de los sistemas mas comunes es usar un rayo láser que se refleja en la punta del cantilever y luego actúa sobre un fotodetector. El detector contiene particiones que permiten detectar cambios pequeños en la posición del haz incidente, incluso de unos pocos angstrom.

El camino óptico ente el cantilever y el detector produce una amplificación mecánica de la señal del láser y como consecuencia el sistema llega a detectar movimientos verticales de la punta con una precisión inferior a un angstrom.

También se pueden usar otros métodos para medir la deflexión del cantilever, como métodos interferométricos, o puramente eléctricos, si el cantilever es de un material piezoresistivo.

Una vez que el AFM detecta la flexión del cantilever en cada punto se puede generar un mapa del relieve de la muestra. Esta operación puede hacerse en dos modos, a saber: altura constante o fuerza constante.

El modo de altura constante consiste en medir directamente la deflexión a medida que el cantilever hace el barrido superficial. La imagen se genera con los datos de coordenadas x-y del barrido más el valor z de la deflexión del cantilever.

En el modo de fuerza constante usa un lazo de control automático para mantener la flexión constante, esto se logra con un circuito de retroalimentación que mueve el escáner en la dirección z, es decir hacia arriba o hacia abajo de acuerdo a la topografía del material. En este caso la imagen se genera con las coordenadas x-y del barrido mas la señal z de la altura de la sonda.

En el modo de fuerza constante la velocidad de escaneado esta limitada por el tiempo de respuesta del circuito de retroalimentación, y la fuerza ejercida sobre la muestra por la punta es constante y bien controlada. Generalmente se prefiere esta modalidad para la mayoría de las aplicaciones. El modo de altura constante se suele usar para tomar imágenes de escala atómica de superficies extremadamente planas, en las cuales se generan pequeñas deflexiones del cantilever. Dado que este modo es más rápido permite a veces estudiar fenómenos en tiempo real en los que la superficie sufre cambies rápidos. AFM sin contacto.

En esta técnica de microscopía de fuerza atómica la punta se hace vibrar cerca de la superficie pero sin llegar a tocarla, y sin embargo se pueden medir fuerzas ya que actúan las fuerzas de Van der Waals. Estas fuerzas son pequeñas, y esto hace adecuada la técnica para estudiar materiales blandos o elásticos. Otra ventaja es que la punta al no tocar la muestra no la contamina, esto es crítico en las obleas de silicio.

En el modo sin contacto se tienen que medir fuerzas mas pequeñas y a su vez se tienen que usar cantilevers mas rígidos, ya que si son muy flexibles pueden ser atraídos hacia la muestra y así entrar en el régimen de contacto. En virtud de que la señal a medir es muy débil, se hace necesario el uso de métodos sensibles con uso de corriente alterna. Para ello el sistema se hace vibrar cerca de la frecuencia de resonancia del cantilever, unos 100 a 400 ciclos por segundo. Los cambios en la frecuencia o amplitud de la vibración se miden a medida que la punta se acerca a la superficie. La sensibilidad de este sistema permite resolución inferior a un angstrom en la imagen. El modo sin contacto no sufre problemas de degradación de la punta o la muestra tal como ocurre con el modo con contacto luego de varios barridos.

Si la muestra es rígida las imágenes obtenidas en el modo con y sin contacto son similares, en cambio si hay unas pocas monocapas de agua condensada sobre la superficie de la muestra las imágenes pueden ser diferentes. El AFM en modo de contacto penetra la capa líquida y genera una imagen de la superficie sumergida, el modo sin contacto por otro lado va a generar una imagen de la superficie del liquido.

También existe otro modo de operación denominado de contacto intermitente, que es útil cuando no se quiere arrastrar la punta del microscopio sobre la muestra para evitar daños o modificaciones a la misma. En esta modalidad la punta sube y baja y toca la muestra durante un tiempo breve entre salto y salto y esto reduce la posibilidad de dañar el material ya que elimina las fuerzas laterales de fricción entre la punta y el material.

Microscopía de fuerza magnética.

Esta técnica toma imágenes de las variaciones de fuerza magnética sobre la superficie de una muestra. Para ello se utiliza una punta recubierta con una capa delgada de material ferromagnético.

El sistema opera en modo sin contacto y se puede usar para obtener imágenes de dominios magnéticos naturales o artificiales donde se escribe información magnética, como por ejemplo un disco rígido.

La punta magnética genera imágenes que contienen simultáneamente información sobre la topografía y las propiedades magnéticas de la superficie. Dado que las fuerzas magnéticas actúan a mayor distancia que las fuerzas de Van der Waals, realizando barridos a diferente altura se obtienen mediciones de ambas variables.

Microscopía de fuerza lateral.

Este método usa mediciones de la deflexión lateral o torsión de un cantilever que ocurre a cause de fuerzas paralelas al plano de la superficie de la muestra. Este método proporciona información sobre las inhomogeneidades de la superficie que causan variaciones en la fricción.

También permite obtener imágenes de cualquier superficie con la particularidad que los bordes se ven resaltados debido a las fuerzas laterales.

Este método usa un fotodetector con un sensor cuádruple que mide el movimiento del láser un dos dimensiones y por lo tanto es capaz de detectar tanto la flexión como la torsión del cantilever.

Muchos instrumentos comerciales permiten trabajar en todas estas modalidades, a veces requiriendo solo pequeñe;os agregados a partir de una unidad base. Para algunos métodos solo se requieren cambios de modalidad controlados por el software.

Microscopio de barrido térmico

El microscopio de barrido térmico mide la conductividad térmica de la superficie de la muestra a la vez que determina la topografía de la muestra.

La sonda que se utiliza puede ser un elemento térmico o bimetálico que responde a cambios de la conductividad térmica. también puede ser un alambre con un elemento resistivo en la punta que actúa como medidor de conductividad o de temperatura.

Microscopía de barrido óptico de campo cercano

Conocida también como NSOM por sus siglas en inglés, esta técnica permite usar métodos ópticos mas allá del límite natural de difracción que poseen las técnicas convencionales. Funciona a través de un haz de luz que pasa a través de una apertura de diámetro menor que un micrón formada en el extremo de un monofilamento de fibra óptica. La apertura es típicamente de unas pocas decenas de nanómetro y esta recubierta con aluminio para evitar las fugas de luz y asegurar un haz de luz bien en foco en la punta.

La punta se mantiene fija mientras que la muestra se mueve mediante actuadores piezoeléctricos similares a los de los otros microscopios de barrido. Se pueden medir simultáneamente las propiedades ópticas y la topografía de la muestra y se puede medir fluorescencia, o imágenes en el espectro ultravioleta, visible o espectroscopia Raman. Aparte de la posibilidad de obtener imágenes, la técnica permite obtener información química con resoluciones mejores que 100 nanómetros.

REFERENCIAS

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Regis Ed.,"Nano, the emerging science of nanotechnology: remaking the world - molecule by molecule", Little, brown and Company, New York, 1995.

Rietman E. A.,"Molecular engineering of nanosystems", Springer Verlag, New York, 2001.

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Pelesko J. A., Bernstein D. H., "Modeling MEMS and NEMS", Chapman and Hall/CRC, Boca Raton, Florida, 2003.

Carpick R., Salmeron M., "Scratching the Surface: Fundamental Investigations of Tribology with Atomic, Force Microscopy", Chem. Rev. 97, 1163-1194, 1997.

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