SPMs STMs

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SPM – Scanning Probe Microscopy
Microscopías de barrido de punta (sonda)
La técnica consiste en barrer mecánicamente 
una punta o sonda de prueba muy cerca de la 
superficie para que interactúe con ésta.
Dependiendo del tipo de interacción se puede 
obtener un mapa tridimensional de la 
topografía y de las propiedades que dan cuenta 
de dicha interacción (conductividad eléctrica, 
fricción, magnetización, temperatura, carga 
superficial, etc.) 
STM: Scanning Tunneling Microscopy
AFM: Atomic Force Microscopy
MFM: Magnetic Force Microscopy
LFM: Lateral Force Microscopy
EFM: Electric Force Microscopy
SCM: Scanning Capacitance Microscopy
NSOM o SNOM: Near-field Scanning Optical Microscopy
SThM: Scanning Thermal Microscopy
……
Comparación con otras microscopías
Modos de adquisición de imágenes
Modo topográfico (propiedad constante)
La altura de la muestra se ajusta para mantener constante 
la señal del detector en cada punto de la superficie. La 
altura de la muestra forma la imagen 3D.(más lento, se 
adapta a cualquier topografía superficial) 
Modo altura constante (propiedad variable)
La punta se desplaza en el plano horizontal paralelo a la 
superficie y la señal del detector varía de acuerdo a la 
topografía y a la propiedad que se sensa. Esta señal forma 
la imagen 3D. (muy rápido, conveniente para superficies 
muy planas)
Antecedentes históricos
Stylus Profiler (1929 – Schmalz) 
Perfilómetro 2D
Magnificación x1000 (similar al microscopio óptico)
Topografías de cualquier muestra sólida
Problemas para barrer sobre grandes estructuras (rotura 
de punta) – no tiene sistema de posicionamiento 
retroalimentado que preserve la integridad de la punta.
Idea de soporte flexible (cantilever) y sistema óptico 
para medir la fuerza punta muestra.
Topografiner (1972- R. Young, J. Ward & F. Scire)
•Movimiento XYZ con piezoeléctricos
•Sistema de posicionamiento con retroalimentación
•La punta se barre sobre la superficie sin tocarla
Topografiner (1972- R. Young, J. Ward & F. Scire)
Perfilómetro 3D
Resolución perpendicular y paralela a la superficie de 30 Å y 4000 Å, 
respectivamente. 
Muestras conductoras.
El principal problema era las vibraciones mecánicas.
La punta se mantiene sin estar en contacto con la superficie y se mide 
la corriente de emisión de campo 
Se empleó piezoeléctricos para barrer la punta y sistema 
retroalimentado para mantener la corriente constante.
Mapa topográfico de una réplica de una grilla de calibración
( ) ( ) 






−


 ∆= 2
1
22
2
1
exp//2 φφ AVheSmJ e
SJ ∆≈ /121 SSS −=∆
Proceso de emisión de campo
Densidad de corriente electrónica
STM – Scanning Tunneling Microscopy – Microscopio de barrido túnel o de efecto túnel 
(1981 – G. Binning, H. Rohrer, Ch. Gerber & E. Weibel) 
Primer SPM con resolución atómica
Toman las ideas de Young, trabajan en ultra alto vacío, usan cerámicos piezoeléctricos para el 
posicionamiento, resuelven el problema de las vibraciones, y usan el efecto túnel que es más sensible 
que la emisión de campo
I = G.V.e-kd
Binning et.al. 1981
Imágenes tomadas en nuestros laboratorios con el STM de Omicron (2006)
AFM – Atomic Force Microscopy
(1986 – G. Bining, C.F. Quate & Ch. Geber) – Microscopio de fuerza atómica
El microscopio es una combinación de los principios del STM y de un perfilómetro de aguja. 
La detección de la deflexión se hace con un STM lo que permite medir fuerzas tan pequeñas 
como 10-18 N.
Los primeros resultados muestran una resolución lateral de 30 Å y vertical menor a 1 Å.
Puedo hacer mapas 3D de materiales aislantes.
Premio Nobel en Física - 1986
Elementos importantes en el 
desarrollo de los microscopios
• scanner
• puntas
• sensores
Posicionadores - scanners
Fabricados de cerámicos piezoeléctricos (titanato de bario, titanato de plomo y 
zirconio) convierten un potencial eléctrico en movimiento mecánico: 
∆l : deformación, d: coeficiente de deformación, V: voltaje aplicado
(típicamente d~0.1-10 nm/V) 
Geometrías de los posicionadores X, Y, Z
trípode tubo
Barrido X-Y
Dirección de barrido rápido y lento
∆l = d . V
Combinación de los efectos de histéresis, arrastre (creep) deriva 
(drift) y pandeo (bow or cross coupling) en la imagen de un escalón. 
Son importantes cuando se trabaja con los scanners en su rango de 
barrido más grande. Resultan lineales para barridos menores al 
micrómetro.
Para otros SPMs: se fabrican principalmente como los chips de computadores o la tecnología de MEMs. 
La punta de prueba se encuentra al final de un brazo flexible (cantilever). Son principalmente de Si y Si3N4 y la 
forma es piramidal (Si3N4) o cónica (Si).
Punta piramidal de Si3N4
Relación de aspecto 1:1
Puntas de Si afiladas
Relación de aspecto 4:1Cantilever en V y rectos
Con geometrías 
específicas
Puntas con forma 
triangular
Puntas dobles
Ejemplos de algunos artefactos en las imágenes…..
Corroborar estructuras de la imagen rotando la muestra
simulador
Resolución lateral y vertical
Radio de curvatura de la punta (5-20nm)
Pixel de la imagen (escala de barrido / número de pixels)
Distancia punta superficie
Criterio de Rayleigh
No depende de la forma de la punta
Tiene que ver más con la digitalización de la tensión 
del piezo Z (Zmax/2n), del ruido electrónico y de 
vibraciones mecánicas. 
Típicamente < 1 Å
Resolución atómica (capaz de ver defectos atómicos) 
o imágenes con estructura periódica igual a la estructura atómica de la superficie?
Mejor resolución 
~ 2 nm
STM? En general si otros SPMs? en general no, en algunos casos si.
Se logra resolución atómica cuando se sensa una propiedad que varía fuertemente con la distancia punta muestra
Sensores de fuerza
Como en el caso el stylus profiler si existe una fuerza entre la punta de prueba y 
la superficie de la muestra se producirá una deflexión en el cantilever. 
Los sensores de fuerza tienen que detectar dicho cambio.
Mediante la corriente túnel Interferometría óptica
Cantilever piezoresistivo
Guía óptica
Resonador de cuarzo
Por reflexión de luz
Desplazamientos tan 
pequeños como 10 Å
Amplificación 
mecánica x300
Modos de operación
Modo de contacto: 
La punta toca “suavemente” la superficie (z~0.1-0.3 nm). 
Se usa la parte repulsiva el potencial (grandes fuerzas, nN-µN)
Cantilevers con k pequeños (0.01-1 N/m) para que no deformen la superficie (ω~50 kHz)
Se mide la fuerza de contacto con la deflexión del cantilever (F=-kz)
Decenas a centenas de Å
simulador
Modo de no-contacto: 
La punta no toca la superficie (z~2-25 nm). 
Se usa la parte atractiva del potencial (fuerzas de van der Waals débiles, 0.001 nN)
Se trabaja haciendo oscilar el cantilever con una amplitud pequeña (<10 nm). 
Se mide el gradiente de fuerza con el cambio en la frecuencia, la fase o la amplitud de la oscilación.
Cantilevers con k grandes para que no toquen la superficie (ω~100-400 kHz)
Modo de contacto intermitente o tapping: 
La punta toca la superficie en cada oscilación para sensar la fuerza. 
Se trabaja haciendo oscilar el cantilever cerca de su frecuencia de resonancia
Se detecta la amplitud (z~5-100 nm) de la oscilación cuando el cantilever toca la superficie
Modo de operación
de los SPMs
ventajas desventajas
Contacto
Barrido a altas velocidades.
Resuelve estructuras con periodicidad 
atómica.
Se puede adquirir imágenes con grandes 
variaciones topográficas.
Ideal para muestras duras.
Fuerzas laterales pueden distorsionar la imagen.
La combinación de grandes fuerzas laterales y 
grandes fuerzas normales pueden reducir la 
resolución espacial o dañar muestras blandas. 
En aire puede estar afectado de grandes fuerzas 
de capilaridad por agua en la superficie (10nN). 
Cantilever blandos son atraídos por la superficie. 
Se usa solo con potenciales repulsivos.
No-contacto
No se ejercen fuerzas en la superficie de la 
muestra. Sensan las fuerzas de van der 
Waals, u otras atractivas más intensas como 
las magnéticas y electrostáticas.
En UHV puede dar resolución atómica.
Menor resolución lateral limitadapor la distancia 
punta-muestra.
Barrido mucho más lento para evitar tocar la 
capa de agua adsorbida. Si la punta la toca el 
sistema se vuelve inestable.
Intermitente
Gran resolución lateral en la mayoría de las 
muestras (1-5 nm).
Fuerzas más pequeñas y menos daño en 
muestras blandas.
Prácticamente no hay fuerza lateral 
Cantilevers más rígidos dan más estabilidad 
frente a la superficie
El barrido es un poco más lento que en el modo 
de contacto.
Problemas de imágenes en aire
Celdas químicasAire UHV Líquidos
Contaminación de puntas y superficies
Adsorción de agua en superficies
Ejemplo de celda líquida Aplicaciones en biología,…
Ambientes de operación
Imagen de células musculares
de conejo. 7 µm
Osteoblasto. AFM Contacto.
Celda electroquímica
Inventado en 1988 por KingoItaya de Japón.
Permite ver estructuras de superficies y reacciones 
electroquímicas en interfases sólido-líquido con resolución 
atómica o molecular
http://www.fz-juelich.de/ibn/isg3~/Giesen/Video4_Au100Reconstruction.avi
Ejemplo formación de hilos en Au(100)
ElectroChemical – STM: EC-STM
En wikipedia…..
• AFM, atomic force microscopy
• contact AFM
• non-contact AFM
• dynamic contact AFM
• BEEM, ballistic electron emission microscopy
• EFM, electrostatic force microscope
• ESTM electrochemical scanning tunneling microscope
• FMM, force modulation microscopy
• KPFM, kelvin probe force microscopy
• MFM, magnetic force microscopy
• MRFM, magnetic resonance force microscopy
• NSOM, near-field scanning optical microscopy 
• (or SNOM, scanning near-field optical microscopy)
• PSTM, photon scanning tunneling microscopy
• PTMS, photothermal microspectroscopy/microscopy
• SECM, scanning electrochemical microscopy
• SCM, scanning capacitance microscopy
• SGM, scanning gate microscopy
• SICM, scanning ion-conductance microscopy
• SPSM spin polarized scanning tunneling microscopy
• SThM, scanning thermal microscopy[1]
• STM, scanning tunneling microscopy
• SVM, scanning voltage microscopy
• SHPM, scanning Hall probe microscopy
Familia de SPMs
Microscopio de fuerza eléctrica o electrostática
( )
z
C
VFeléctrica ∂
∂∆−= 2
2
1La fuerza que aparece en un 
condensador que tiene una 
capacidad C y un voltaje aplicado 
V∆
k
F
o
oo
2
1
'
≅−
ω
ωω ( ) 2
2
2
'
4
1
z
C
V
ko
oo
∂
∂∆−≅−
ω
ωω
Imagen topográfica y electrostática de un circuito electrónico de memoria RAM. 
Barrido 20 micrones.
Topografía + 
distribución de carga eléctrica
Electric Force Microscopy: EFM
Aplicaciones 2
Scanning force microscopy three-dimensional modes applied to conductivity 
measurements through linear-chain organic SAMs
C. Munuera, E. Barrena and C. Ocal, Nanotechnology 18 (2007) 125505 (7pp)
Isla de C12 (SH-C11H22-CH3) crecida en Au(111) por inmersión de 
10 a 50s en solución etanólica <0.5µM.
Topografía
Con AFM
Perfiles en 
los pin holes
Conductividad
Eléctrica con STM
Combinación de AFM y STM con una punta de AFM conductora
Imagen topográfica adquirida con AFM en modo contacto en aire
Propiedades eléctricas
vs fuerza aplicada a la 
película de C12
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8 10 12
0
200
400
600
800
1000 
R
ou
gh
ne
ss
 (
Å
)
Irradiation dose (1016 ions/cm2)
sputtering yield = 7.2
15 keV Ar+ → polycrystaline Cu 
H
ei
gh
t r
em
ov
ed
 (
Å
)
 
Erosión - Sputtering
Modificación de la superficie 
en función de la dosis
15 keV Ar+ → polycrystaline Cu
Estudio de daño por radiación en materiales 
mediante microscopía de fuerza atómica
Ampollado - Blistering
Si(111) sin irradiar
3x1016 ions/cm2. 5.1x1016 ions/cm2. 19.7 x1016 ions/cm2
Inflamiento - Swelling
2.8x1016 ions/cm2
Non-irradiated
Non-irradiated 
34.9x1016 ions/cm2
18.5x1016 ions/cm2 2.8x1016 ions/cm2
38.0x1016 ions/cm2
34.9x1016 ions/cm2
20 keV Ar+ → Si(111)
STM – Scanning Tunneling Microscopy
Microscopía de efecto túnel
Amortiguación
magnética 
Crióstato
Scanner y punta
MuestraSuspensión elástica
Cabezal de enfriamiento
G. Binnig & H. Rohrer
…volviendo al principio de funcionamiento del STM…. 
Punta de PtIr cortada con tijera Punta de W fabricada por etching
80 µm 150 nm 450 µm 160 nm
Para lograr resolución atómica 
la punta debería terminar en 
un único átomo
G. Binnig & H. Rohrer
¿Cómo es esto del efecto túnel?
Mecánica clásica � barrera impenetrable
Mecánica cuántica � probabilidad no nula 
de pasar la barrera 
• Si la punta y la muestra está conectadas por un conductor, los niveles de Fermi se 
igualan, y la corriente neta entre ambas es nula.
• Si la punta y la muestra tienen aplicadas un potencial de bias V, los niveles de Fermi se 
desplazan una energía eV, y ahora se establece una corriente no nula que depende de la 
distancia punta-muestra
En la zona de la barrera
• Dentro de este modelo simplificado, el coeficiente de transmisión T, es decir, la 
relación entre la corriente I(z) en la punta situada a una distancia Z de la muestra, y la 
corriente incidente I(0) resulta:
� �
����
��0�
� 	 	
��
 κ � 	
���
�
� 5.1	 ϕ 	� 	 ��
�
� La transmisión T (corriente túnel) decae un factor 10 cada 1 Ǻ !!!!
• Si la barrera de potencial no es un escalón, sino que U depende de la distancias Z, 
entonces U=U(Z)
� �
����
��0�
� 	 	
� � ��
�
��
�� �
κ � 	
2� ! � " #$
�
Modelo fenomenológico de la corriente túnel
Se supone que hay una “resistencia” (o “conductividad”) en la barrera de potencial
Se supone que vale la ley de Ohm por lo que la corriente resulta proporcional de la 
tensión aplicada (tensión de bias V)
�% � � &'		
���

(�	�
κ � 	
2�ϕ
�
Z Ze
&' � 	
2	�
�
� La corriente túnel depende 
de la tensión de bias!!!
Notar que como en el experimento puedo fijar los valores para I y V, entonces puedo definir 
también la altura de barrido (Z-Ze).
Imágenes de una superficie de Si(111) con la reconstrucción 7x7, y con potenciales de 
bias opuestos. NOTAR la diferencia de imágenes !!!
[8-6] down \ -1.5V[8-6] down \ 1.5V
¿Porqué la apariencia de las imágenes de STM dependen del potencial de bias?
¿Qué pasa si cambiamos el signo del potencial?
Bias positivos genera una corriente de electrones hacia la muestra (estados desocupados)
Bias negativos genera una corriente de electrones desde la muestra (estados ocupados)
Teoría de Bardeen.
Caso unidimensional:
de cada lado de la barrera 
se cumple
A temperatura finita los electrones en cada electrodo siguen la distribución de Fermi 
(f(E)). Aplicando un potencial de bias V la corriente túnel total resulta:
)*	+	), son la densidad de estados de los 
electrodos A y B
Si -,�	es pequeña, f(E) se puede aproximar por un escalón 
Si V es muy pequeña, . varía poco en el intervalo de energía de interés � la 
corriente túnel está determinada por la convolución de la densidad de estados 
electrónicos de los dos electrodos
La variación de . con la energía es 
� Si los estados electrónicos de la punta varían poco, entonces la corriente túnel será 
proporcional a la densidad de estados desocupados de la muestra en EF+eV
� entonces con las imágenes STM estoy mapeando los estados electrónicos de la punta y 
de la muestra.
Tersoff y Hamann tomaron la idea del modelo de Bardeen y modelaron la punta por un 
potencial esférico resolviendo el problema en tres dimensiones 
Si el estado de la punta es esféricamente simétrico, en muchos casos todos los demás estados 
electrónicos pueden despreciarse, por lo que la corriente túnel resulta proporcional a la densidad 
de estado de la muestra integrada entre EF y EF+eV. 
Esta característica permite una descripción cualitativa de las imágenes basada en las 
propiedades de la estructura electrónica de la muestra.
Imágenes STM adquiridas simultáneamente en el modo dual (a) barrido hacia la derecha
VS = + 1.5 V y (b) VS = - 1.5 V barrido hacia la izquierda. Las imágenes se adquirieron
con IT = 60 pA. Las celdas unidades se marcan tentativamente con rectángulos.
(a) (b)
Ejemplo de la estructura formada por moléculas de PTCDI en la 
superficiede Cu(111)
EP-PTCDI PTCDIEP EP
Cu(111) @ 500 
K
Cu(111) @ 300 
K
"5 6
3.5 3
"5 6
7 3
… mirando funciones de onda…..
Identificación de los sitios de adsorción
• Frecuencia de adsorción:
~ 17% on top de un center hole
~ 28% alineado entre center holes
~ 55% cualquier otra posición
○
○
○
20x20 nm2
Ejemplo de adsorción de EP-PTCDI en Si(111) 7x7
Molecules adsorbidas en diferentes sitios 
muestran diferentes estados electrónicos
Los máximos del perfil molecular se encuentra cerca de los átomos de O situados encima de 
otros átomos de Si. Posible revelación de estados del sustrato.
Átomos de plata en Ag(111)Reemplazo de átomos de estaño por Si
Confinamiento de estados superficiales de 
Cu(111) en un corral cuántico realizado con 
átomos de Fe. 
Manipulación de átomos
Grafito HOPG
Efecto de corrugación gigante: las imágenes STM a corriente constante exhiben corrugación 
que depende de la corriente. Esta puede variar de 1 a 10 Å aún cuando la corrugación medida 
por otras técnicas es de 0.2 Å. Se atribuye a la deformación elástica de la superficie de grafito 
por las fuerzas atómicas entre la punta y la superficie.
Resumen:
• La corriente túnel se produce por el solapamiento de los estados electrónicos de la 
punta con los estados electrónicos de la superficie de la muestra.
• La corriente túnel decrece exponencialmente a medida que aumenta el ancho de la 
barrera túnel y eso origina la resolución atómica.
• El STM permite obtener imágenes de superficies con detalle atómico incluyendo 
átomos y moléculas individuales.
• La información sobre la estructura cristalina está contenida en las imágenes de STM 
de manera indirecta.
• La interpretación de imágenes de STM requiere de comparaciones con simulaciones 
teóricas ya que mapea estados electrónicos (mapas de iso-densidad).
• El STM permite obtener imágenes de estados cuánticos.
• Se puede usar para manipular átomos individuales.