FUNCIONAMENTO BÁSICO DO STM (SCANNING
TUNNELING MICROSCOPE)
Gustavo Bernardes Nogueira1, Prof.Dra.Regina Maria Ricotta2
1,2
Faculdade de Tecnologia de São Paulo – FATEC - SP
[email protected] , [email protected]
1. Introdução
3. A corrente de tunelamento
O STM (Scanning Tunneling Microscope) utiliza-se
do fenômeno de tunelamento de elétrons para obter
informações sobre a estrutura topográfica local da
superfície da amostra, e a imagem obtida contém
informações relacionadas à estrutura eletrônica local da
superfície. [1][2]
Este trabalho apresenta o funcionamento básico e a
tecnologia utilizada em um típico STM, primeiramente
desenvolvido por Gerd Karl Binnig e Heinrich Rohrer,
que ganharam o Prêmio Nobel de Física de 1986.
O cálculo do coeficiente de transmissão para uma
barreira real é impraticável. Porém como a separação
entre ponta e amostra é da ordem de 0,9nm (núcleo a
núcleo), o tunelamento pode ser tratado por uma teoria
de perturbação de primeira ordem. Segundo Tersoff e
Hamann [3], considerando um modelo em que a ponta
era ideal (um ponto material), calcularam a corrente
para potenciais fracos (da ordem de 10mV), e para
potenciais fortes consideram o modelo planar de
tunelamento, no qual o método WKB prevê que a
probabilidade de transmissão em um local (rt) é dada
por:
 2 Z 2m φ s + φt eV

T ( E , eV , rt ) = exp  −
⋅
+
− E  (1)
h
2
2


onde E é a energia do elétron, eV é a energia potencial
aplicada, Z é a distância perpendicular da ponta em
relação a amostra, m é a massa do elétron, h é a
constante de Planck dividida por 2π, e φs e φt são
2. O Microscópio
A idéia básica do funcionamento do STM é que uma
ponta extremamente fina (usualmente de Pt ou W) varra
a superfície da amostra, sem contato físico entre si, em
duas dimensões laterais, enquanto um circuito de
realimentação ajusta, constantemente, a altura da ponta
em relação à superfície da amostra, e dessa forma, a
mesma é reproduzida pelo caminho que a ponta fez. Os
movimentos da ponta são realizados por elementos
piezoelétricos e o ajuste grosso de aproximação
ponta-mostra pode ser feito por “andadores
eletromagnéticos” ou sistema de rosca, por exemplo.
O STM pode ser operado em dois modos de
varredura: à corrente constante ou à altura constante. O
ciclo de operação para um único ponto da amostra, é
realizado, tipicamente, em 500µs, dentre eles 80µs são
para estabilizar a separação entre ponta e amostra,
400µs para obtenção da curva I x V e 20µs para o “dead
time”.
Como a magnitude da corrente túnel é da ordem de
nanoamperes, são utilizados amplificadores de sinais. A
corrente amplificada entra em um sistema de
realimentação, que compara o valor de entrada ao valor
de referência, enviando um sinal para o alimentador de
voltagem do elemento piezoelétrico do eixo z, para
alterar a posição da ponta de forma adequada. Outros
sinais são enviados aos outros elementos piezoelétricos
que corrigem a posição da ponta nos outros
eixos x e y. Para produzir imagens com a resolução
desejada, deve-se ter um sistema de isolamento de
vibrações.
função trabalho da amostra e da ponta, respectivamente.
4. A imagem
Quando se aplica um potencial negativo na amostra,
os elétrons saem da banda de condução para a ponta, e
quando se aplica um potencial positivo na amostra, os
elétrons saem da ponta e penetram na amostra pela
banda de valência. Dependendo da magnitude do
potencial aplicado o elétron pode, preferencialmente,
sair ou penetrar em átomos diferentes da amostra. Dessa
forma, pode-se diferenciar os átomos na imagem obtida.
5. Conclusões
A imagem é gerada a partir da correlação, feita pelo
computador, das informações: posição da ponta,
variação I x V e densidade de carga dos estados. O
computador registra e analisa essas informações e as
relaciona com a densidade de carga dos estados (banda
de condução e de valência), projetando, assim,
graficamente a imagem da superfície da amostra.
6. Referências
[1] Bonnell, Dawn A., Scanning Tunneling Microscopy
and Spectroscopy, VCH Publishers, 1993.
[2] Carnevali, Américo F., Dissertação de Mestrado
(UNICAMP), 1992.
[3] J. Tersoff e D. R. Hamann, Phys. Rev. B 31, 805
(1985); Phys. Rev. Lett. 50, 1998 (1983).
[4] Schmid, Michael. Disponível em: http://www.iap.tu
wien.ac.at/www/SURFACE/STM_Gallery/
stm_schematic.html>Acessado em: 12/08/2008.
Figura 1- Esquema para obtenção da imagem [4]
1
Aluno de IC do CNPq.