Las microscopías de campo cercano

Las microscopías de campo cercano se basan en medir la interacción de una punta afilada con la superficie de la muestra que queremos caracterizar. Como ya mencionamos en nuestro artículo de nociones básicas de nanofísica la invención de estas microscopías supuso el inicio de esta nueva e increíble rama de la física. Estas microscopías tienen su origen en dos destacados dispositivos:

  • El Stylus Profiler: Fue inventado por Schmalz en 1929 y se basaba en el cambio de un haz de luz que se reflejaba en un espejo acoplado a una punta que recorría la superficie como un fonógrafo.
Figura 1: Esquema de funcionamiento del Stylus Profiler.

 

  • El Topografiner: Fue inventado por Young en 1971. Una punta metálica se movía a una distancia constante de la superficie, y viendo cómo cambiaba la corriente túnel, se iba dibujando la topografía de la muestra.
Figura 2: Esquema de funcionamiento del Topografiner.

En función de la magnitud física que se use para caracterizar la superficie, se distinguen los siguientes microscopios: el microscopio de efecto túnel (corriente eléctrica), el microscopio de fuerzas, y el microscopio óptico de campo cercano (luz). En este artículo nos centraremos en los dos primeros.

El microscopio de efecto túnel (Scanning Tunneling Microscope, STM):

Fue inventado en 1981 por Binnig y Rohrer, de la empresa IBM, en Zürich (Suiza). Basa su funcionamiento en el efecto túnel, esto es, en que si se envían electrones hacia una barrera de potencial con una energía cinética menor al potencial de la barrera, existe cierta probabilidad de que la atraviesen.

Figura 3: Variación de la función de onda con acorde al potencial de la barrera.

El montaje experimental de este microscopio es el siguiente:

Figura 4: Montaje experimental del microscopio de efecto túnel (STM).

Se coloca una punta metálica afilada a una distancia de varios nanómetros de una superficie también metálica. Al aplicar un voltaje entre punta y muestra, creando así la barrera de potencial, los electrones irán desde la punta a la superficie (o viceversa), generando una corriente túnel que decae exponencialmente con la distancia, siendo así muy sensible a las variaciones de este parámetro.

Para caracterizar la muestra, o bien se mantiene constante la distancia y se observa la variación de la intensidad, o bien se realiza lo contrario. En ambos casos se extrae información de la topografía de la superficie y de su densidad de estados, una medida de los estados electrónicos que alberga la superficie de un sólido.

Este microscopio no solo se puede emplear para caracterizar una superficie, sino que también sirve para mover los mismísimos átomos al invertir el voltaje que se aplica (para cogerlos o soltarlos). Así se pueden crear corrales cuánticos de diversas formas y tamaños (figura 5) o incluso escribir palabras (figura 6), tal y como ya predijo Richard P. Feynman en 1959 en su conferencia de Caltech.

Figura 5: Corrales cuánticos de 48 átomos de hierro sobre una superficie de cobre. (Fuente: Galería de imágenes de STM de la empresa IBM).

 

Figura 6: Logotipo de la empresa IBM realizado en 1989 que constituye el primer experimento de manipulación atómica. (Fuente: Galería de imágenes de STM de la empresa IBM).

El microscopio de fuerzas atómicas y magnéticas (Atomic Force Microscope and Magnetic Force Microscope, AFM and MFM):

Fue inventado en 1986 por Binnig y Quate, de la empresa IBM, en Zürich (Suiza).

En ausencia de fuerzas eléctricas, magnéticas o de capilaridad, la interacción entre una punta y una muestra está gobernada por las fuerzas intermoleculares, que varían con la distancia como:

Figura 7: Variación de las fuerzas intermoleculares son la distancia. (Fuente: Miriam Jaafar. Tesis doctoral, 2009).

Estos dos regímenes de la curva de potencial definen los modos habituales de trabajo del AFM: modo contacto y modo dinámico. En el primero, se arrastra la punta sobre la superficie y se va trazando su topografía, y en el segundo, el más empleado, se hace oscilar la punta a su frecuencia de resonancia y se detectan los cambios de dicha oscilación como consecuencia de la topografía de la superficie. En el modo contacto se mide la fuerza de la interacción punta-muestra, mientras que en el modo dinámico se mide el gradiente de la misma.

El montaje experimental de este microscopio es el siguiente:

Figura 8: Montaje experimental del microscopio de fuerzas.

La punta está acoplada a una micropalanca (también denominada habitualmente cantilever). Sobre ella incide un haz láser que se refleja y es recogido por un fotodiodo, que mide los cambios en las oscilaciones del cantilever, lo que permite obtener la topografía de la muestra.

Si se emplea una punta metálica con un recubrimiento magnético, sobre el sistema de oscilación cantilever-punta actúa una fuerza externa magnética, modificando así la frecuencia de resonancia del sistema, proporcional al gradiente de fuerzas externo. Al medir y representar esta frecuencia sobre el plano de la muestra se puede obtener por lo tanto información acerca de la imanación de la muestra.

Cabe señalar que no todas las fuerzas actúan en el mismo régimen, y que ha de situarse la punta en la región en la cual nos interese medir, como se muestra a continuación:

Figura 9: Rango de actuación de las diferentes fuerzas. (Fuente: Miriam Jaafar. Tesis doctoral, 2009).

A diferencia del STM, que ha de usarse en ultra alto vacío y con muestras metálicas, con el AFM y el MFM se pueden caracterizar muestras metálicas y aislantes, y medirlas tanto en aire como en vacío y en líquidos, lo que permite su uso en biología.

Figura 10: Células bacterianas medidas en líquidos con un microscopio AFM. (Fuente: Thermal imaging of bacterial cells, 2014).

 

Figura 11: Disco duro magnético medido con un microscopio MFM en el que se pueden ver los   0´s y los 1´s en color claro y oscuro.

BIBLIOGRAFÍA:

  • Tesis doctoral de Miriam Jaafar, 2009.
  • Apuntes de la asignatura “Nanofísica” de 4º del Grado en Física de la Universidad Autónoma de Madrid.

AGRADECIMIENTOS:

Al profesor Enrique García Michel por sus completas y perfectas explicaciones de la asignatura de Nanofísica, y a mis tutores del TFG, Miriam Jaafar y Julio Gómez por todo lo que me han enseñado de AFM y MFM.

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