CARACTERIZACIÓN POR
MICROSCOPÍAS DE FUERZAS Y DE EFECTO TÚNEL
El desarrollo alcanzado por las áreas científicas conocidas como nanociencia y nanotecnología se
debe, en parte, al descubrimiento y posteriores desarrollos del microscopio de fuerzas (AFM) y
de efecto túnel (STM). Ambas microscopías se han configurado como herramientas
indispensables para interrogar las propiedades de sistemas de tamaño nanométrico. El carácter
local y el preciso control de las interacciones electromagnéticas permite a estas técnicas la
investigación del estado químico, mecánico o eléctrico de estructuras nanométricas, con
independencia de la naturaleza de las nanoestructuras. Estas pueden ser de tipo semiconductor,
moléculas orgánicas o moléculas biológicas. Las propiedades mencionadas de los microscopios
de fuerzas y de efecto túnel pueden ser aprovechadas para desarrollar nuevas técnicas de
modificación y manipulación de superficies a escala nanométrica. Esos métodos pueden
constituir las bases para el desarrollo de nuevas técnicas de litografía con definición de motivos
por debajo de los 10nm.
En la actualidad el laboratorio de fuerzas y túnel tiene dos objetivos principales, por una parte la
investigación de las propiedades estructurales, mecánicas, eléctricas, químicas y tribológicas de
sistemas de tamaño nanométrico. Por otra parte, el desarrollo de procedimientos basados en el
uso del microscopio de fuerzas para fabricar dispositivos como transistores de un solo electrón o
memorias de muy alta densidad.
La actividad científica que se presenta a continuación se ha dividido en tres secciones:
nanofabricación, nanoelectrónica y caracterización y espectroscopía a escala nanométrica.
NANOELECTRÓNICA: CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA DE SISTEMAS
NANOMÉTRICOS
Las propiedades mecánicas, eléctricas y de síntesis de los nanotubos de carbono los ha convertido
como candidatos ideales para su empleo como nanohilos conductores en dispositivos de tamaño
nanométrico.
Con el objetivo de estudiar las características eléctricas de sistemas nanométricos se ha
depositado una cuerda de nanotubos de carbono (SWNT Single Wall Nanotubes) sobre
electrodos de oro-cromo, definidos mediante técnicas de litografía de haz de electrones. Tras la
deposición de los nanotubos la superficie se caracteriza mediante el microscopio de fuerzas en el
modo de no-contacto. La imagen de AFM muestra un nanotubo sobre un electrodo de cromo-oro.
La combinación de la litografía por haz de electrones y litografía óptica ha permitido acceder a la
medida de las características corriente-voltaje del nanotuboLas cuerdas de nanotubos medidas presentan comportamiento óhmico en el rango de voltajes
medido, de –1 V a 1 V. Para el nanotubo mostrado en la figura anterior se ha medido una
resistencia de 17 MW ( nanotubo de 250 nm de longitud, 14 nm de altura y 30 nm de diámetro).
La resistividad que se obtiene de estas medidas es de r = 3 W × cm. En la figura se presenta la
curva I-V del nanotubo. La inserción presenta la corriente de fugas característica del sistema de
medida.NANOFABRICACIÓN: OXIDACIÓN LOCAL DE SUPERFICIES DE SILICIO
Las microscopías de fuerzas y de efecto túnel (AFM y STM) han abierto una gran variedad de
métodos para modificar superficies metálicas, semiconductoras y formadas por películas
orgánicas. Sin embargo, no todos los métodos propuestos parecen adecuados para la fabricación
de nanoestructuras a gran escala. La oxidación local de superficies se está convirtiendo en uno de
los métodos más versátiles para la fabricación de nanoestructuras.
En el laboratorio de fuerzas y túnel se ha desarrollado un método de nanolitografía basado en el
confinamiento espacial de una reacción química: la oxidación y en el uso del modo de no
contacto del microscopio de fuerzas. Este modo aumenta considerablemente la reproducibilidad
del método. El proceso para obtener una marca de óxido de silicio en el modo de no-contacto
consta de los siguientes pasos, en primer lugar se hace oscilar la punta del microscopio sobre la
zona de la superficie que se desea modificar. La humedad relativa se mantiene en el rango del 40-
60%, en estas condiciones se adsorben unas cuantas monocapas de agua en la punta y la muestra.
A continuación se aplica un pulso de voltaje entre punta y muestra. El campo eléctrico produce la
condensación de un menisco de agua entre punta y muestra. El agua se polariza debido a la
acción del campo eléctrico, proporcionando los iones OH-, O- necesarios para la oxidación del
silicio. El campo eléctrico favorece la difusión de los aniones y su combinación con Si2+,
producido por un exceso de huecos en la superficie del semiconductor.
Este método, al no existir contacto mecánico entre la punta y la muestra, previene el deterioro de
la punta, lo cual permite que una misma punta pueda efectuar miles de modificaciones. Esto tiene
consecuencias directas en la reducción del tiempo requerido para generar motivos nanométricos.
También implica una substancial mejora de la reproducibilidad. Por otra parte, la formación
controlada de meniscos de agua de tamaño nanométrico proporciona también un método para
mejorar la resolución lateral de la técnica. De esta forma es posible generar puntos de SiO2 de 5-
10 nm de diámetro
La reproducibilidad, estabilidad y control del tamaño de los motivos permite aplicar la oxidación
local para desarrollar nuevos métodos de almacenamiento de información.
El método descrito ha sido aplicado para fabricar dispositivos de almacenamiento de información
como el ilustrado en la figura, que contiene al número pi con una densidad de 0.5 Tbit/cm2 . Si el
procedimiento descrito anteriormente se mantuviese para grabar información en una superficie
del tamaño de un disco compacto, se podrían almacenar unas 1000 horas de música.
MICROSCOPÍA DE FUERZAS DE MOLÉCULAS ORGÁNICAS Y/O BIOLÓGICAS:
VISUALIZACIÓN Y ESPECTROSCOPÍA
El laboratorio de fuerzas y túnel participa en el desarrollo de nuevos métodos basados en la
espectroscopia de fuerzas para medir interacciones individuales entre moléculas orgánicas
(azúcares) con una resolución de 10 pN. Así mismo, se trabaja activamente en el desarrollo de
métodos para la caracterización morfológica y composicional de moléculas biológicas con
resolución nanométrica.
Visualización de anticuerpos mediante modos dinámicos de la microscopia de fuerzas
El Microscopio de Fuerzas en Modo Dinámico presenta dos regímenes de funcionamiento:
atractivo y repulsivo. Estos regímenes están caracterizados por una fuerza de interacción neta
entre punta y muestra atractiva y repulsiva respectivamente. La selección del régimen de
funcionamiento del microscopio es posible mediante la obtención de curvas de amplitud frente a
la separación entre punta y muestra. Una discontinuidad en estas curvas determina la transición
entre el régimen atractivo y el repulsivo .
Experimentos de visualización en aire de moléculas individuales de anticuerpos [a-HSA] sobre
un substrato sólido (mica), han permitido determinar los efectos de la operación en ambos
regímenes sobre este tipo de muestras. El régimen atractivo permite determinar la morfología y
orientación de los anticuerpos sobre el substrato. Por el contrario, el funcionamiento en régimen
repulsivo induce una deformación irreversible en las moléculas. Las imágenes topográficas
obtenidas en régimen atractivo muestran cuatro tipos de morfología de las moléculas. Teniendo
en cuenta la estructura tridimensional de los anticuerpos, estos cuatro tipos de morfología se han
asociado a las cuatro posibles orientaciones de las moléculas sobre el substrato.
La existencia de contacto mecánico entre punta y muestra y la magnitud de las fuerzas
involucradas, son los factores principales que determinan las diferencias en el funcionamiento del
microscopio en cada régimen. Mediante simulaciones numéricas de la dinámica de oscilación de
una punta en la proximidad de una superficie, se ha determinado la ausencia de contacto
mecánico entre punta y superficie en régimen atractivo para unas condiciones de funcionamiento
similares a las de experimentos realizados. Adicionalmente, los resultados de las simulaciones
revelan que el valor de la fuerza de interacción instantánea máxima en el régimen repulsivo
puede llegar ser un orden de magnitud más alta que en el régimen atractivo. El resultado práctico
de los estudios anteriores ha sido la mejora en la resolución del microscopio.
Gonzalez Hernandez Ezequiel CRF
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