Mónica Lucía Álvarez-Láinez - Nanotecnología

En 1981, Binnig y Rohrer desarrollaron un instrumento basado en el efecto túnel cuántico de electrones que tenía la capacidad de posicionar una punta metálica de unos pocos ángstroms de diámetro en su parte más fina, sobre una superficie metálica a distancias entre 5 y 50 Å. En este sistema punta-superficie, simultáneamente se podía aplicar una diferencia de potencial entre 5 y 50 V, al tiempo que se registraba la corriente que aparecía por cuenta del tunelamiento de los electrones entre la punta y la superficie, en el orden de los picoamperios (pA). Con esta información fue posible realizar una reconstrucción visual de la superficie metálica, pero con una resolución vertical que dependía de las distancias en las que opera el efecto de tunelamiento cuántico; es decir, en unas pocas decenas de ángstroms. A su vez, como la precisión en el barrido superficial también podía estar en el orden de los ángstroms, este instrumento se convirtió en el primer dispositivo de visualización en espacio real a escala atómica; es decir, en un microscopio de resolución atómica[17]. Este fue el primer modo de operación de lo que hoy se conoce como el microscopio de barrido por sonda, o spm, al cual se le denominó stm.

Unos cuantos años más tarde, el mismo Binnig y otros colaboradores (Christoph Gerber y Calvin Quate) desarrollaron un instrumento, ya no basado en corriente eléctrica, sino en fuerzas, que tenía la capacidad de medir cualquier tipo de material sólido bajo un principio muy similar al del stm, aprovechando el efecto de las fuerzas de interacción atómica entre dos cuerpos que se acercan el uno al otro.

Es bien conocido que un par de átomos o moléculas sufren diferentes tipos de atracción en distancias de separación límite máximas y mínimas; es decir, que existe una gran distancia de separación (del orden de las centenas de nanómetros) que establece una fuerza atractiva entre estos átomos o moléculas, debido principalmente a las fuerzas de Van der Waals que operan entre ellos. A su vez, existen distancias muy pequeñas (de algunos ángstroms) para las cuales se establecen fuerzas muy repulsivas entre los átomos, que se deben principalmente a la interacción entre las nubes electrónicas y al acercamiento de los núcleos atómicos.

John Lennard-Jones propuso un modelo matemático simple para representar este comportamiento, también llamado el potencial de Lennard-Jones (L-J)[18] (ver figura 3.2).

Figura 3.2 Energía de interacción V(r) entre dos átomos o moléculas que se aproximan o se alejan a una distancia r

El potencial L-J permite calcular la fuerza de interacción entre los átomos o moléculas, aplicando el gradiente a este potencial, lo cual genera la siguiente expresión (ecuación 2):

(2)

En donde ε es la profundidad del potencial; σ, la distancia finita en la que la fuerza de interacción entre los átomos es cero, y r la distancia entre ellos.

Una manera en la que es posible medir estas diminutas fuerzas interatómicas (de magnitudes entre nanonewton y piconewton) es a través de microsensores optomecánicos o piezoeléctricos, en los cuales una viga microscópica en voladizo (sujeta a un cuerpo sólido, y que en el extremo libre posee una delicada y afilada punta) puede acercarse de manera muy precisa a una superficie relativamente suave, a distancias típicas en las que opera el potencial L-J. Cuando la distancia entre la punta y la superficie coincide con la del régimen atractivo de L-J, la viga experimenta una fuerza que la flexiona hacia la superficie, pero no indefinidamente, pues si la distancia sigue disminuyendo, entonces el sistema viga-punta-superficie experimentará una fuerza repulsiva que invertirá la curvatura de la viga, por la flexión hacia arriba.

La distancia de flexión de la viga puede ser medida por métodos piezoeléctricos u ópticos; estos últimos son extensivamente usados porque son más estables y lineales que los piezoeléctricos. El método óptico de medida consiste en un láser que incide en la parte superior de la viga y se refleja sobre un fotodetector de dos o más celdas. A este método se le conoce como beam-bounce[19].

Se puede utilizar la analogía de un sistema masa-resorte para modelar esta fuerza aplicando la ley de Hooke, expresada de forma general en la ecuación 3:

(3)

En donde x es la distancia de flexión de la viga, y k la constante de resorte de la viga en voladizo. Si se mide la distancia de flexión de la viga y se conoce la constante de resorte, es posible conocer la magnitud de la fuerza de interacción entre los átomos o moléculas de la punta con los átomos de la superficie, fuerza que a su vez dependerá de la manera en que cambie la distancia entre ellos; en otras palabras, será sensible a la irregularidad topográfica de la superficie. Si el sistema viga-punta viaja sobre la superficie, con movimientos muy controlados y patronados, es posible entonces obtener la topografía de una superficie de cualquier naturaleza, ya que las fuerzas que intervienen son entre átomos. Un instrumento semejante fue el desarrollado por Binnig, Gerber y Quate, que recibió el nombre de microscopio de fuerza atómica (afm).

A partir de considerar otro tipo de interacciones en proximidades muy bajas, es posible mapear muchas otras propiedades superficiales en escala submicroscópica. Esto ha hecho posible el desarrollo de un amplio número de técnicas spm que permiten determinar cualitativamente propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas, térmicas y químicas, entre otras.

3.3.2 Arquitectura del instrumento

Un sistema spm se compone esencialmente de un cabezal de medida, en donde se capturan las señales de interacción entre el sistema viga-punta, y la muestra que se va a caracterizar. Un escáner piezoeléctrico genera los barridos en superficie y los cambios de posición vertical de la muestra. Toda la electrónica de acondicionamiento de señal y la generación de señales de actuación hacia la medida se encuentran en un módulo de control e instrumentación. Un sistema de adquisición de datos digitaliza las señales de sensado y entrega las señales de actuación sobre la medida. Finalmente, un sistema de procesamiento de señal crea la representación gráfica o en imagen de las medidas y también controla el instrumento (ver figura 3.3)[20].

Figura 3.3 Representación de la arquitectura general de un microscopio spm

3.3.3 Modos de operación de un instrumento spm

A partir de otras posibles interacciones entre la punta y la superficie (como las interacciones magnéticas y los cambios locales en propiedades elásticas, coeficientes de fricción y propiedades químicas), se han podido desarrollar diferentes técnicas spm. Incluso la técnica afm puede involucrar tres modos distintos de medida. Los modos en spm se dividen en primarios y secundarios, como se lista en la tabla 3.2. A continuación, se describirán dos de estas técnicas para mayor ilustración.

Tabla 3.2 Lista de técnicas primarias y secundarias de spm

3.3.3.1 Contact-Atomic Force Microscopy (c-afm)