visualización y modiﬁcación de superﬁcies a nanoescala

Visualización y modificación de superficiesa nanoescala usando unmicroscopio de barrido de efecto túnel

Visualización y modificación de superficiesa nanoescala usando un

microscopio de barrido de efecto túnel

Trabajo de Tesispresentado al

Departamento de Ingeniería Eléctricay Electrónica

por

Ruy Sebastian Bonilla OsorioAutor

Alba G. Ávila BernalAsesor

Para Optar por el Título deIngeniero Electrónico

Universidad de los AndesIngeniería Eléctrica y Electrónica

Junio de 2008

A mi madre, luz incondicional y ejemplo de vida,a mis hermanos Vivian y Martín, mi más grande motivación,

y a mi padre por su comprensión.

Prefacio y agradecimientos

Cuando inicié este proyecto, hace ya siete meses atrás, un sin número de preguntas abordabanmi cabeza y la expectativa no daba lugar al tiempo. Conforme inicié a trabajar en el, todos losnuevos conocimientos que adquiría en el proceso y las facultades que desarrollaba en mi trabajoempezaron a crecer tanto como el interés en saber más y superar cada uno de los retos que seme pusieron en el camino. Inumerables días de trabajo, mucho más de unas pocas decepcionesy ni hablar de los fines de semana pérdidos, eran solo un escalon más en el muro de sacrificiosnecesarios para llegar a la victoria. Finalmente aquí está. Los resultados satisfactorios del trabajointelectual y personalmente más enriquecedor que nunca he hecho en mi vida, se plasman en eldocumento que a continuación se presenta.

En primer lugar agradezco a mi madre Irlanda Osorio Peñaloza, mi ejemplo más grandede vida, apoyo incondicional de todas mi metas y objetivos, razón de lucha e indescriptiblecompañera de vida. A mis hermanos Vivian y Martin, quienes me han dado un motivo más parallegar hasta este punto sin desfallecer y aun no parar. A mi padre por su presencia ausente enlo que constituyo mi formación humana e intelectual, y a toda mi familia por constituirse en mimás interno núcleo de crecimiento personal y espiritual.

Le agradezco también a mi asesora, la doctora Alba Graciela Ávila Bernal, por su verdaderaasesoría, apoyo incondicional e incentivó para el satisfactorio logro de objetivos. A mis compañerosdel CMUA, en orden de antiguedad lúdica, Diego Fernando Reyes, Juan Guillermo Alzáte,Rodrigo Alfonso Bernal, Ariel Gómez Díaz y Juan Sebastian Rodriguez, por sus comentarios yaportes constructivos tanto al proyecto como a mi desarrollo personal. Un especial reconocimientoa Rodrigo Bernal M. por las enriquecedoras discusiones respecto al equipo y sus importantesaportes en el desarrollo del proyecto los cuales, entre otras cosas, comprenden: el buen documentode tesis que hizo, el método de fabricación de puntas de W, la depuración del diseño alemán,el nuevo circuito de control diseñado, la ayuda con Solid, Eagle y Latex; y la experimentadatécnica para el perfecto corte y taladrado de la lámina de aluminio.

Finalmente, agradezo a Mónica López del CEIF en la Universidad Nacional de Colombiapor la colaboración con el SEM, al profesor Antonio Salazar del grupo de Ingeniería Biomédicade la Universidad de los Andes, por su ayuda con el Microscopio. Al laboratorio de IngenieríaEléctrica y Electrónica de la Universidad de los Andes, incluyendo sobre todo a Alejo Monroy yWilliam Romero, por la colaboración con los instrumentos y equipos. Y demás colaboradores deeste proyecto que se me pasen.

Símbolos y acrónimos

Lista de símbolos

ρ Relación de aspecto de una punta de barridol Longitud de una punta de barridoΦ Diámetro de alambreR Radio de una punta de barridoσ Resolución lateraldt Distancia de tunelamientoIt Corriente de tunelamientoVB Voltaje de polarización muestra

Lista de acrónimos

CMUA Centro de microelectrónica de La Universidad de Los AndesSEM Microscopio electrónico de barridoSTM Microscopio de efecto túnel

Índice general

Prefacio y agradecimientos vii

Símbolos y acrónimos ix

1. Introducción 11.1. Teoría Básica de un Microscópio de Barrido de Efecto Túnel . . . . . . . . . . . . 21.2. Descripción del kit de construcción Schul-STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1. Sistema mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2. Sistema electrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.3. Adquisición de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3. Organización de este documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2. Descripción del STM-Uniandes 72.1. Visión general del STM-Uniandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2. Sistema mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1. Aproximación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.2. Escáner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.3. Portamuestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.4. Sistema aislador de vibraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3. Sistema electrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.1. Circuito preamplificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.2. Caja de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4. Adquisición de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4.1. Tarjeta de adquisición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4.2. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5. Conclusiones y recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3. Fabricación de puntas de barrido 173.1. Métodos de fabricación de puntas de barrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1.1. Pulimiento electroquímico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.1.2. Corte Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2. Fabricación de puntas de Tungsteno(W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2.1. Materiales y reactivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2.2. Equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2.3. Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2.4. Caracterización de puntas de tungsteno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.5. Comentarios y recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3. Fabricación de puntas de Platino Iridio(PtIr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3.1. Materiales y reactivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3.2. Equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3.3. Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3.4. Caracterización de puntas de PtIr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.5. Comentarios y recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

xii ÍNDICE GENERAL

4. Visualización de superficies a nanoescala 294.1. Preparación y montaje de la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2. Procedimiento de visualización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2.1. Instrumentación necesaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.2.2. Conexiones del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.2.3. Posicionamiento de la punta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2.4. Procedimiento de aproximación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2.5. Visualización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.2.6. Software de adquisición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.3. Ejemplos de visualización a nanoescala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.3.1. Imágenes de Au Grid & HOPG obtenidas con el STM-Uniandes . . . . . 374.3.2. Comentarios y recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.4. Caracterízación de superficies conductoras a nanoescala . . . . . . . . . . . . . . 394.4.1. Ejes longitudinales x, y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.4.2. Eje transversal z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.4.3. Distorsión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5. Modificación de superficies a nanoescala 475.1. Metodología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.2. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.3. Análisis, conclusiones y recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.3.1. Análisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.3.2. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.3.3. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

6. Conclusiones, recomendaciones y trabajo futuro 536.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546.3. Trabajo Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

A. Procesamiento de imágenes 57A.1. Distorsión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57A.2. Algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58A.3. Código . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

A.3.1. stm.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58A.3.2. stmuniandes.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59A.3.3. reduceSize.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

A.4. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

B. Modelaje de distorsión en las imágenes 61B.1. histeresis.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61B.2. deriva.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

C. Catálogo de proveedores 63

Índice de figuras

1.1. Principio de operación de un STM[1]: Una punta muy fina recorre la superficie dela muestra a una corriente de túnel constante. A - Cambio en la topografía(δ:Resoluciónlateral). B - Variación de la altura de barrido debido a un cambio en la estructuraelectrónica C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2. Modos de operación de un STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3. Diagrama de bloques básico de un STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4. Sistema mecánico de posicionamiento grueso punta-muestra del Schul-STM[2] . . 41.5. Sistema mecánico de posicionamiento fino punta-muestra del Schul-STM[2] . . . 5

2.1. Diagrama de bloques del STM-Uniandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2. Componentes del STM-Uniandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3. Aproximación punta-muestra [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4. Sistema mecánico complementario implementado para el STM-Uniandes . . . . . 102.5. Esquema del sistema mecánico aislador de vibraciones dispuesto con el STM-Uniandes 102.6. Diagrama de bloques de la caja de control del STM-Uniandes . . . . . . . . . . . 112.7. Esquemático del nuevo circuito de control del STM-Uniandes . . . . . . . . . . . 142.8. Layout con partes del nuevo circuito de control del STM-Uniandes . . . . . . . . 152.9. Layout del nuevo circuito de control del STM-Uniandes . . . . . . . . . . . . . . 16

3.1. Caracterízación de la geometría de una punta de barrido.[3] . . . . . . . . . . . . 173.2. Esquema general de un proceso electrolítico.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3. Esquema de la técnica de desprendimiento lamelar para fabricación de puntas de

barrido.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.4. Set-up mecánico para la fabricación de puntas de W . . . . . . . . . . . . . . . . 203.5. Circuito de electropulido para la fabricación de puntas de W[3] . . . . . . . . . . 203.6. Esquema de una grieta longitudinal en alambre de tungsteno causada por un

proceso de corte defectuoso.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.7. Esquema de una grieta longitudinal en alambre de tungsteno causada por un

proceso de corte defectuoso.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.8. Fotografías del cátodo usado para la fabricación de puntas de barrido.[3] . . . . . 223.9. Fotografías del recipiente usado para la fabricación de puntas de barrido.[3] . . . 223.10. Fotografías del montaje de la punta usado para la fabricación. . . . . . . . . . . . 233.11. Microscopía óptica de punta de W a 2mm de inmersión . . . . . . . . . . . . . . 243.12. Microscopía óptica de punta de W a 2mm de inmersión . . . . . . . . . . . . . . 243.13. Microscopía electrónica de punta de W a 2mm de inmersión[3] . . . . . . . . . . 253.14. Microscopía electrónica de punta de W a 2mm de inmersión[3] . . . . . . . . . . 253.15. Metodología de fabricación de puntas de PtIr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.16. Aspecto real de una punta de PtIr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.17. Microscopía optica de puntas de PtIr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.18. Microscopía óptica de puntas de PtIr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.19. Microscopía electrónica de puntas de PtIr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

xiv ÍNDICE DE FIGURAS

4.1. Características mínimas deseables en una muestra a ser observada con el equipoSTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2. Montaje de la muestra en el STM-Uniandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.3. Fotografía de la punta de barrido posicionada en el equipo STM[3] . . . . . . . . 314.4. Entorno adecuado de la ventana para realizar barridos en el software SPM4ALL 3.5 334.5. Entorno de la ventana para editar imágenes en el software SPM4ALL 3.5 . . . . 344.6. Imagen de referencia del fabricante del NanoGrid 160: T , Nanosurf[4]. Tomada

con Nanosurf easyScan E-STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.7. Caracterízación lateral del escáner a partir de la hoja de datos de los piezoeléctricos

que lo componen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.8. Caracterízación transversal del escáner a partir de la hoja de datos de los piezoeléctricos

y la adquisición de datos en el computador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.9. Dos barridos consecutivos del NanoGrid 160:T, Nanosurf. Barridos desde la izquierda.

Vbias = 200mV Iref ≈ 1nA. Izquierda: barrido hacia abajo, derecha: barrido haciaarriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.10. Curvas de distorsión aplicadas al grid simulado en Matlab. En el eje y el valordibujado, en el eje x el valor real (tanto para el barrido en x como para y). Enverde un barrido completamente lineal, en azul la histéresis aplicada al eje x y y 42

4.11. Cuantificación en MATLAB de la histéresis de los piezos a partir de la aplicaciónde un barrido con histéresis x2/2, a la función z = f(x, y) = sin(x)+cos(y) rotada5π18 . a. Barrido hacia abajo, b. Barrido hacia arriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.12. Barrido estándar del grid Nanosurf 160:T en el cual se ilustra la distorsión introducidapor la deriva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.13. Curvas de distorsión aplicadas al grid simulado en Matlab. En el eje y el valordibujado, en el eje x el valor real (tanto para el barrido en x como para y). Enverde un barrido completamente lineal, en azul la deriva aplicada al eje y y enrojo la deriva aplicada al eje x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.14. Barrido del grid generado con distorsión especificada en la figura 4.13 . . . . . . 444.15. Esquema de la distorsión introducida por el tripode que compone el escáner. . . 444.16. Simulación de la distorsión introducida por el tripode que compone el escáner. . 454.17. Evidencia de la distorsión introducida por el tripode que compone el escáner. . . 45

5.1. Metodología de modificación superficial a nanoescala . . . . . . . . . . . . . . . . 475.2. Modificación superficial a nanoescala sobre HOPG. Primera: Vbias = 200mV ,

Iref ≈ 1nA, vbarrido = 5Hz, vmod = 3V , tsub ≈ 4s, tbaj ≤ 0,5s, Punta estandarde W (r≈300nm). Segunda:Vbias = 200mV , Iref ≈ 1nA, vbarrido = 5Hz, vmod =8V , tsub ≈ 7s, tbaj ≤ 0,5s, Punta estandar de W (r≈300nm). . . . . . . . . . . . 51

5.3. Imagen 3D de la modificación ilustrada en la figura 5.2. ImageJ . . . . . . . . . . 51

A.1. Pendiente introducida a las imágenes del STM-Uniandes . . . . . . . . . . . . . . 57

Índice de cuadros

3.1. Resumen de las condiciones de fabricación óptimas obtenidas para longitudes deinmersión de 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Capítulo 1

Introducción

DESDE la invención del primer transistor en 1947, los sistemas electrónicos han seguido unatendencia de miniaturización predicha por el reconocido cientifico Gordon E. Moore[5].

Actualmente, los dispositivos electrónicos tienen tamaños promedio de unas cuantas decenasde nanometros; sin embargo, la tendencia esperada es de alrededor de unas pocas décimas denanometros en un par de años[6].

Las técnicas de fabricación usadas hoy en día, y en especial la litografía óptica, están llegandoa sus límites prácticos de tamaño de dispositivos. Como resultado, la miniaturización conduceal desarrollo y evolución de las técnicas y materiales utilizados en la fabricación de dispositivoselectrónicos.

Desde su aparición en los ochentas, el Microscopio de Efecto Tunel(STM por sus siglas eninglés) ha abierto la posibilidad a nuevas técnicas de fabricación de dispositivos electrónicos yvisualización de estructuras a escala atómica (∼1nm). El control de la materia a esta escala esuno de los más importantes retos científicos de los últimos 30 años[7]. Este control hace necesarioel desarrollo apropiado de herramientas que permitan observar y cuantificar las modificaciones apequeñas escalas. Visualización y caracterización han sido las tareas en las que los microscopiosde barrido se han concentrado, en especial el Microscopio de Barrido de Efecto Túnel.

El funcionamiento de este microscopio fue introducido por Binning y Rohrer en 1982[1], y suimportancia fue reconocida cuando en 1986 recibieron el Premio Nobel de Física[7], gracias a ladescripción a escala atómica de una estructura 7x7 de silicio usando el microscopio[8].

La necesidad de un instrumento con el cual realizar espectroscopía local a escala nanométrica,fue el motivante principal que dió origen al STM[7]. Su versatilidad se hizo evidente cuando esta yotras técnicas como la potenciometría y la litografía de barrido fueron realizadas usando el mismoinstrumento[9]. El STM es principalmente usado como una herramienta de caracterización desuperficies con resolución atómica; sin embargo, su experimentación ha demostrado la posibilidadde manipular y crear estructuras de escala nanométrica, dando así la oportunidad de fabricarpatrones y geometrías útiles en el posterior diseño de dispositivos electrónicos [10].

Desde el 2006, el Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes (CMUA) hadesarrollado tres proyectos en la implementación y uso de un Kit de Construcción de STM [3] [11],fabricado por el Interface Physics Group de la Westfälische Wilhelms-Universität, Alemania[2].Estos proyectos llevaron a cabo la implementación física del microscopio así como la creación demetodologías en fabricación de puntas de barrido.

En este proyecto se concluye la implementación funcional de dicho kit con la demostraciónrepetible de visualización a nanoescala, y la experimentación satisfactoria de modificación superficiala la misma escala. Esto implicó la reestructuración electrónica y mecánica del kit, dando lugaral diseño local de un STM-Uniandes y proveyendo una herramienta robusta y repetible.

La implementación y optimización de este equipo, demuestra la posibilidad de “dar a todoel mundo una oportunidad de construir su propia experiencia práctica con el Nanomundo”[2],en una de las distinguidas técnicas de caracterización de superficies; a un costo cientos de vecesmás bajo que un equipo industrial. De la misma forma, se pone a disposición de estudiantes laoportunidad de familiarizarse con la técnica, sin necesidad de recurrir a costosos equipos.

2 Introducción

El presente documento constituye la primera versión del manual de usuario del microscopiode efecto túnel propiedad del CMUA. Aquí se describen todos los procedimientos o metodologíasestándar en el uso del mismo, así como los detalles técnicos a tener en cuenta para su implementacióny funcionamiento. Todo el contenido de este documento se basa en los resultados alcanzadosen los diferentes proyectos desarrollados sobre el mismo. A continuación se describe la teoríabásica de un STM, de forma tal que el lector se encuentre en el contexto alrededor del cualse desarrolla este documento. Luego se describirá brevemente el kit de construcción de STMadquirido por el CMUA, tal cual lo presenta el Interface Physics Group de la WestfälischeWilhelms-Universität[2], y finalmente se describiran todos los detalles del STM-Uniandes.

1.1. Teoría Básica de un Microscópio de Barrido de EfectoTúnel

El STM consiste básicamente en mover controladamente (barrer o escanear) una agujaconductora muy fina, sobre la superficie de la muestra a una corriente de túnel constante comose muestra en la figura 1.1.[1]

El principio físico de operación del microscopio es el efecto túnel. Si una diferencia de potencialVbias es aplicada a través de una barrera de potencial (dos electrodos separados una distanciadt), existe una corriente de túnel It proporcional a la distancia de separación y a la estructuraelectrónica de los electrodos [12]:

It ∝ e−2kdt (1.1)

donde:

k2 =2m(Vbias − E)

~2(1.2)

B

Pz

Py

Px

It

A

C

Muestra

Punta

ControlVbias

dt

δ

Figura 1.1: Principio de operación de un STM[1]: Una punta muy fina recorre la superficie de lamuestra a una corriente de túnel constante. A - Cambio en la topografía(δ:Resolución lateral).B - Variación de la altura de barrido debido a un cambio en la estructura electrónica C

Por ejemplo, para√

2m~ = 1,025 1

A√

eV, usando la masa del electrón libre como lo es para el caso

de vacío, y una barrera de potencial de unos cuantos eV ; un cambio monoatómico(∼ 2 − 5A)en la distancia de tunelamiento produce un cambio en la corriente de hasta tres órdenes demagnitud[1].

Una combinación entre el control de la corriente de túnel y los desplazamientos de la punta debarrido, dados por los voltajes aplicados a los elementos piezoeléctricos (Px, Py y Pz en la Fig.1.1), generan un mapa detallado de iso-corrientes, que en el caso de los conductores corresponde aun mapa topográfico de la superficie de la muestra [12]. Existen dos formas en las cuales este tipode microscopios pueden inferir la topografía de una muestra. El primero de ellos es a corrienteconstante y es el que ya ha sido descrito. Otra forma de inferir topografías es a través de la

1.2 Descripción del kit de construcción Schul-STM 3

corriente de tunel, para un barrido a altura constante. La figura 1.2 muestra esquemáticamentela operación del microscopio en ambos modos.

It It

Corriente constante Altura constante

Figura 1.2: Modos de operación de un STM

La figura 1.3 ilustra los componentes básicos necesarios de los que consta un STM.

Pz

Py

Px

It

Muestra

Punta

Vbias

dt

Preamplificador

Bias

Control PI

Unidad de Control

Manejador de

Visualizacion

Escaner

Interaccion punta muestra

Piezos

Figura 1.3: Diagrama de bloques básico de un STM

Dados los elementos arriba expuestos, es necesario tener en cuenta las siguientes condicionesbajo las cuales operan este tipo de equipos:

• dt ∼ 1nm, lo cual implica un aislamiento de vibraciones mecánicas suficiente para mantenerestable la distancia de tunelamiento, y un control de posición de la punta muy preciso.

• It ∼ 1nA, lo cual requiere una etapa de amplificación bastante alta y un tratamiento dela señal bastante delicado.

• Las puntas de barrido son uno de los puntos fundamentales en la resolución del instrumento,por lo cual estas se requieren bastante agudas . [13]

1.2. Descripción del kit de construcción Schul-STM

En el año 2005 el Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes (CMUA),adquirió un kit de construcción de Microscopio de Efecto Túnel fabricado por el Interface Physics

4 Introducción

Group de la Westfälische Wilhelms-Universität, Alemania[2]. De acuerdo con [11] y [2], el kit deconstrucción de STM adquirido por el CMUA consta de los siguientes componentes principales:

• Sistema mecánico• Sistema electrónico• Adquisición de datosEn adelante se dará una breve descripción de cada uno de los componentes del kit, sin

entrar en muchos detalles pues la pertinencia de estos se encuentra en el diseño propio delSTM-Uniandes.

1.2.1. Sistema mecánico

Debido a la necesidad de posicionar tridimensionalmente la aguja con precisión cercana aunas cuantas decimas de nanometro, el Schul-STM plantea un posicionamiento en dos pasos. Elprimero es un posicionamiento grueso llevado a cabo a través de un par de plataformas separadaspor tres tornillos micrométricos1. Este esquema obedece al principio mecánico de una palancacon el fin de reducir el movimiento manual, la figura 1.4 ilustra el sistema.

Figura 1.4: Sistema mecánico de posicionamiento grueso punta-muestra del Schul-STM[2]

El segundo paso de aproximación se lleva acabo por un sistema de actuación piezoeléctrica.A este ultimo se le denomina escáner, pues es quien en últimas realiza la tarea de movercontroladamente la aguja sobre la muestra cuando entre estas dos existe corriente de tunelamiento.El escáner esta compuesto por una recamara, un tripode y tres elementos piezoeléctricos. Suesquema se ilustra en la figura 1.5.

1.2.2. Sistema electrónico

El sistema electrónico del Schul-STM se compone básicamente de los módulos de preamplifiacióny control ilustrados en la figura 1.3. Estos se encuentran diseñados en Eagle y están disponiblespara libre distribución en [2]. Al igual que en la figura, los componentes básicos del sistemaelectrónico son:

• Caja de preamplificación.• Bloque de ajuste de voltaje bias.• Bloque de control integral de corriente.• Bloque de manejo de piezoeléctricos2.

1.2.3. Adquisición de datos

La interfaz entre el hardware del microscopio y la visualización computarizada es llevado acabo a través de una tarjeta de adquisición provista por el Interface Physics Group. Esta tarjeta

1Cada vuelta de los tornillos genera un movimiento del orden de cientos de micrometros2Los piezoeléctricos son modelados como cargas capacitivas que funcionan a grandes voltajes, por esta razón

es necesario implementar circuios de manejo.

1.3 Organización de este documento 5

Figura 1.5: Sistema mecánico de posicionamiento fino punta-muestra del Schul-STM[2]

es la referencia PC20TR del fabricante BMCM. La hoja de datos y el manual de la tarjeta sepueden consultar en [11].

Uno de los más grandes inconvenientes de este sistema es que esta tarjeta utiliza el bus ISA elcual se ha descontinuado hace un par de años. Este detalle hace que la tarjeta deba ser usada encomputadores demasiados viejos, y así mismo el sistema se vuelve incompatible y desactualizado.

1.3. Organización de este documentoComo es evidente de las dos secciones anteriores, el trabajo con un microscopio de efecto túnel

incluye diferentes aspectos, tanto técnicos como de funcionamiento. Debido a que este documentodebe constituir la primera versión del manual de usuario del instrumento, este describirá lostres principales aspectos operacionales del mismo, en su orden: fabricación de puntas de barrido,visualización de superficies conductoras a nanoescala, y modificación de superficies a nanoescala.Adicionalmente se incluye un capítulo previo a los mencionados, en el cual se describen todoslos detalles técnicos que involucran la correcta implementación del STM-Uniandes. Con fínes deoperación, se recomienda al lector revisar únicamente la sección visión general del STM-Uniandesincluida en el capítulo mencionado, y con la cual se familiarizará con las partes del equipo y suesquema general. Se recomienda dejar las demás secciones de este capítulo como referenciastécnicas de la implementación.

Cada capítulo de los mencionados posee una sección de comentarios y recomendaciones, conel fín de que el usuario se familiarice rápidamente con el funcionamiento del equipo. Al final deeste documento se exponen todas conclusiones, comentarios y recomendaciones relacionados conel desarrollo del proyecto. Por tratarse de un proyecto cientifico y de aplicación, este capítulo solose recomienda para los usuarios que deseen explorar los detalles técnicos del microscopio así comorealizar investigación sobre el mismo, en la evaluación y optimización de sus características.

6 Introducción

Capítulo 2

Descripción del STM-Uniandes

EN este capítulo se describen todos los detalles técnicos tenidos en cuenta en la implementaciónfinal del STM-Uniandes, con el fín de obtener la funcionalidad que a la fecha presenta, es

decir la posibilidad de visualizar y modificar superficies a nanoescala. Se recomienda que lassecciones posteriores a la 2.1 sean leídas unicamente como referente técnico del microscopio.Estas pueden ser omitidas por los lectores que únicamente se dispongan a operar el instrumento.

2.1. Visión general del STM-Uniandes

El trabajo llevado a cabo desde el año 2005 en el Centro de Microelectrónica de la Universidadde los Andes (CMUA), ha dado lugar a la implementación propia de un STM-Uniandes, elcual difiere en varias partes del kit de construcción adquirido por parte de la WestfälischeWilhelms-Universität, Alemania[2]. El STM-Uniandes puede de nuevo ser dividido en los siguientescomponentes principales:

• Sistema mecánico• Sistema electrónico• Adquisición de datosLa figura 2.1 presenta un diagrama del bloques completo del STM-Uniandes.

ControladoresPiezoelectricos

Punta-Muestra

PC

Voltaje=f(It) = A ∗ It

Ganancia Integral

Ganancia Proporcional

Ajuste Iref

Preamplificador

Control PI

Ajuste Bias Voltaje ReferenciaBias

Voltaje ReferenciaIRef

PC[piezoz]

x

y

z

x

y

z

SalidaPiezoelectricos

Interaccion

Figura 2.1: Diagrama de bloques del STM-Uniandes

En adelante se dará una breve descripción los componentes físicos que componen el microscopio,ilustrados en la figura 2.2, con el fín de obtener familiaridad con el mismo. Posteriormente seentrará en los detalles de cada uno de los bloques funcionales que componen el sistema.

1. Placas de aproximación: Un par de placas de aluminio son el mecanismo de aproximacióngruesa (∼ µm) entre la punta de barrido y la muestra. Estas son fundamentales en el

8 Descripción del STM-Uniandes

funcionamiento del microscopio, pues conforman el cuerpo del mismo. En este documentose hará referencia a placa superior e inferior para denominar este par de componentesmecánicos.

2. Tornillos de aproximación: El sistema de aproximación gruesa funciona gracias a la acciónde una palanca conformada por tres tornillos micrométricos situados en forma de tripodeentre el par de placas. La acción en el sentido de las manecillas del reloj, de los dos tornillosfrontales, aleja la punta de la muestra y viceversa para el caso del tornillo posterior.

3. Escáner : El escaner conserva las características sugeridas por el proveedor. Este realiza latarea de mover controladamente la aguja sobre la muestra cuando entre estas dos existecorriente de tunelamiento. El escáner esta compuesto por una recamara, un tripode y treselementos piezoeléctricos.

4. Portamuestras: El portamuestras fue implementado por Sarmiento y se describe en [11]. Sufuncionamiento es bastante básico y se describe brevemente en la sección de Preparaciónde la muestra del capítulo de visualización.

5. Sistema aislador de vibraciones: Se requiere de un sistema aislador de vibraciones con el fínde atenuar las exitaciones mecánicas alrededor del instrumento. Este se encuentra divididoen 3 etapas. Dos etapas de aislamiento de baja frecuencia y una parte de aislamiento dealta frecuencia. El sistema está compuesto por: 5 placas de marmol soportadas en 4pelotas de tenis (Baja frecuencia 1); un soporte metálico y tres bandas de caucho parasoportar la última etapa del sistema (Baja frecuencia 2); y 7 placas de acrilico separadaspor elementos elásticos (Alta frecuencia).

Figura 2.2: Componentes del STM-Uniandes

6. Caja de preamplificación: Conjunto de circuitos electrónicos que convierten la corrientede túnel en un voltaje amplificado para que pueda ser procesado por la caja de control.Esta tiene una ganancia media de 1V/nA.

7. Caja de control : Conjunto de circuitos electrónicos que controlan el desplazamiento delos piezoeléctricos, el voltaje entre punta y muestra y la polarización de los circuitos. Elequipo se encuentra diseñado para funcionar en modo de corriente constante.

8. Sistema de adquisición: Computador con la tarjeta de adquisición instalada que generanlas señales de actuación del escaner y procesa los datos experimentales provenientes delpiezoeléctrico z.

2.2. Sistema mecánico

2.2.1. Aproximación

Se conserva el sistema mecánico proveído por la Universidad de Munster, el cual se basa enun par de placas de aluminio como mecanismo de aproximación gruesa (∼ µm) entre la puntade barrido y la muestra. Su funcionamiento se basa en la acción de una palanca conformada portres tornillos micrométricos situados en forma de tripode entre el par de placas, este se ilustraen la Figura 2.3.

2.2 Sistema mecánico 9

Figura 2.3: Aproximación punta-muestra [3]

2.2.2. Escáner

Se conserva él escáner sugerido por el proveedor, el cual ya ha sido descrito.

2.2.3. Portamuestras

El portamuestras fue implementado por Sarmiento y se describe en [11]. Su funcionamiento esbastante básico y se decribe brevemente en la sección de Preparación de la muestra del capítulode visualización de superficies a nanoescala.

2.2.4. Sistema aislador de vibraciones

Las nuevas disposiciones de planta de la Universidad de los Andes hicieron necesario el cambiode ubicación del equipo implementado por Bernal y descrito en [3]. Estos cambios incentivaron ala revisión detallada de las nuevas ubicaciones y llevaron a la conclusión de que el nuevo sitio enel cual se dispone el STM-Uniandes, presenta serias perturbaciones mecánicas bajo un ambientede trabajo habitual [14].

El sistema descrito en [3] funcionó adecuadamente en los horarios en los cuales no existíanperturbaciones fuertes (noches y fines de semana), sin embargo este carecía de la característicafuncional de poder ser usado en horas de trabajo habitual.

A continuación se presentan las implicaciones mecánicas que tiene el trabajo con microscopiosde punta de barrido, para asi dar paso a la descripción del sistema mecánico finalmente implementado.Una referencia más precisa respecto a la implementación y caracterización de este sistema seencuentra en [3].

Perturbaciones mecánicas y su implicación en el STM

El montaje mecánico de cualquier microscopio de punta de barrido debe ser adecuado parapermitir una distancia estable punta-muestra del orden de 1 nm. Para lograr esto, las vibracionesmecánicas transmitidas en el sitio de interacción deben ser reducidas a una magnitud considerablementemenor que dicha distancia. Según [15], una distancia de aproximadamente 1 pm es adecuada parael trabajo de este microscopio, es decir un atenuación de −120 dB para estimulaciones del ordende unos cuantos micrometros de amplitud.

Por montaje mecánico se hace referencia a todos los elementos que disminuyen la vibraciónsobre el equipo para mantener la distancia de tunelamiento estable, así como todos los sistemasde fijación de conexiones, partes móviles e implementos que influyen en la estabilidad y robustezde las condiciones de distancia punta-muestra.

La literatura reporta un espectro medio de vibraciones mecánicas importantes del orden de10 a 100 Hz [16]. Existen algunos elementos, como los motores, los cuales contribuyen mucho mása estas exitaciones. Su frecuencia típica de vibración es la de alimentación de la línea eléctrica,que para el caso del equipo aquí descrito es de 60 Hz. Otras fuentes de vibración incluyen eltransito de personas (1 Hz) y el movimiento de los edificios (15 - 25 Hz).


Descripción del sistema mecánico complementario

Con el fin de adecuar el equipo se recurrió al uso de los materiales dispuestos en la primeraimplementación mecánica hecha por Sarmiento y descrita en [11]. El complemento al sistemamecánico existente se basa en el uso de una gran masa inercial suspendida sobre elementoselásticos tal cual lo sugiere[17]. Su esquema se describe en la figura 2.4.

Los elementos viscoso, elastico e inercial descritos en la figura 1.5 son respectivamente:

1. Espuma de polietileno Superlon de Polylon.2. 4 Pelotas de tenis.3. Placas de marmol - W ≈ 5,4Kg c/u

Sistema implementadopor Bernal

Placas de marmol 30x30x2cm

Figura 2.4: Sistema mecánico complementario implementado para el STM-Uniandes

A pesar de carecer de una simulación o caracterización del nuevo sistema mecánico, se puedeafirmar la mejora notable en las imágenes tomadas en horarios de trabajo habitual, en el sitiodonde se ubica el instrumento.

Esquema del sistema completo

El sistema completo se compone entonces de el sistema previamente implementado ubicadosobre los nuevos elementos complementarios dispuestos para el sistema. La Figura 2.5 ilustraeste sistema.

1

6

7

8kv

kv c6

c7

ks ks

Salida

Entrada Entrada

ce

kp

Figura 2.5: Esquema del sistema mecánico aislador de vibraciones dispuesto con el STM-Uniandes

2.3 Sistema electrónico 11

2.3. Sistema electrónico

2.3.1. Circuito preamplificador

El circuito preamplificador fue implementado de acuerdo a las sugerencias de [2]. Este seconserva tal cual sin embargo se reconoce la falta de practicidad en el mismo, así como lacarencia de una etapa de amplificación logarítmica típica de este tipo de instrumentos. Estasfallas hacen necesario la implementación de una nueva caja y circuito de preamplificación. Estediseño se sugiere hacerlo tan pronto como sea posible.

2.3.2. Caja de control

Luego de un análisis y revisión del sistema electrónico propuesto por el Interface PhysicsGroup y descrito en [2], se decidió cambiar levemente el diseño previamente implementado.

Antes de mencionar las mejoras implementadas en el nuevo Circuito de Control del STM-Uniandes,la Figura 2.6 ilustra un diagrama de bloques de las distintas etapas que conforman este circuito.

ControladoresPiezoelectricos

PC

V=f(It) = A ∗ It

Ganancia Integral

Ganancia Proporcional

Ajuste Iref

Ajuste BiasVoltaje Referencia

Bias

Voltaje ReferenciaIRef

PC[piezoz]

x

z

y y

x

z

SalidaPiezoelectricos

Caja de Control

IntegralGanancia

GananciaProporcional

Preamplificador

MuestraBias

Figura 2.6: Diagrama de bloques de la caja de control del STM-Uniandes

Los cambios implementados en las diferentes etapas se exponen a continuación. El esquemático,layout y componentes diseñados para el mismo se ilustran en las Figuras 2.7, 2.8 y 2.9. Laimplementación mecánica de la caja contenedora del circuito fue hecha basado en la distribucióndel circuito impreso y teniendo en cuenta los lineamientos para conexiones expuestos en elcapítulo 1 de [18].

Señales de entrada

Las señales recibidas por la caja de control a saber son:• Computador

• Piezo x• Piezo y• Tierra

• It

En todas estas señales se han puesto seguidores de voltaje, de tal manera que la corrienterecibida de los circuitos exteriores es virtualmente cero. Adviertase que en el anterior diseñode STM la corriente demandada de la tarjeta de adquisisción en el computador era mayor a100mA de tal manera que, según especificaciones del fabricante, se ponía en peligro el buenfuncionamiento de la misma. Este aislamiento o acople de las diferente etapas de señal es deextrema importancia en el diseño de cualquier circuito necesario para el STM-Uniandes, por talrazón se recomienda tenerlo presente para diseños posteriores.


Señal de referencia Iref

La señal de referencia es obtenida por una configuración sencilla de potenciometro y seguidorde voltaje de manera que la salida del circuito no se vea cargada por etapas posteriores nivicebersa. Siempre que el potenciometro sea lineal, el ajuste de la señal de referencia será detipo lineal, lo cual facilita su operación. La señal de referencia varía en el rango de 0 a -12VDCpuesto que la corriente de tunelamiento siempre presenta un valor negativo. Esto se debe a quelos electrones fluyen desde la muestra hacia la punta.

Señal de error del control

La señal de error se define como la diferencia entre la corriente de túnel de referencia y laseñal de corriente generada de la interacción punta-muestra. Esta señal es uno de los puntosmás importantes en el correcto funcionamiento del controlador de corriente necesario en elmicroscopio. La configuración elegida para implementar esta tarea es un amplificador operacionalrestador de 4 resistencias iguales. De nuevo se debe tener en cuenta que el restador diseñadopara el Schul-STM no es adecuado, pues su salida no representa la diferencia del par de señalesantes mencionadas.

Ajuste de Sample-Bias

En este caso se conservó parcialmente el diseño alemán. Se implementó un circuito de bias endos etapas con el fín de hacer una ajuste grueso, y luego un ajuste fino en el valor del voltaje debias. La necesidad de este par de ajustes se debe a que eventualmente el microscopio puede serusado únicamente para visualización, en cuyo caso el valor de Bias es bajo, o para modificacióny visulización en cuyo caso se desea un rango más amplio de voltajes.

En cualquiera de los dos casos arriba expuestos, el valor de Bias siempre se encuentra entre0 y 12VDC. Esto se debe a que la visualización siempre se hace con valores de polarizaciónpositivos muestra-punta.

Control PI

Luego de las etapas arriba mencionadas se implementa un controlador proporcional-integrala partir de tres configuraciones a saber:

• Ganancia propocional : La señal de error es multiplicada por una constante con la implementaciónde un amplificador operacional inversor. Este amplificador controlado por la acción de unpotenciometro en la resistencia de entrada de la etapa.

• Ganancia integral :La señal de error es integrada y multiplicada por una constante con laimplementación de un amplificador operacional integrador. La ganancia de este amplificadores controlada por la acción de un potenciometro en la resistencia de entrada de la etapa.

• Sumador :Las señales de salida de las dos etapas antes mencionadas se suman con unaconfiguración de amplificador operacional sumador.

La salida de el sumador es la señal de control del piezoeléctrico z. La acción específica delcontrolador es:

ZOUT (t) = Kpe(t) + Ki

∫ t

0

e(t)dt (2.1)

Donde Kp es la ganancia del componente proporcional y es igual a:

Kp =R18R17

(2.2)

Y Ki es la ganancia del componente integral y es igual a:

Ki =1

R19 ∗ C5(2.3)

2.4 Adquisición de datos 13

Controladores de piezoeléctricos

Usando una técnica de compensación para cargas capacitivas descrita en [19] se diseño eimplementó un nuevo circuito driver para los piezoeléctricos. En [20] se describen las razonespor las cuales es necesario hacer esta modificación. Básicamente cabe notar que la configuraciónanterior tenía una velocidad de respuesta demasiado lenta para las características esperadas enlas muestras a analizar con el microscopio. La etapa manejadora de piezos se repite tres vecespara cada uno de los elementos del escáner y sus entradas, para el caso de x y y provienen delcomputador, mientras para z proviene de la salida del controlador PI.

Cada etapa se compone de una seguidor de entrada y un par de amplificadores operacionescon los que teóricamente se dobla el voltaje a la salida, es decir sobre el elemento piezoeléctrico.

2.4. Adquisición de datos

2.4.1. Tarjeta de adquisiciónLa tarjeta de adquisición es la misma con la cual fue adquirido el STM. Esta ha sido

bastante versatil durante los 3 años de trabajo sobre este instrumento, sin embargo presentael inconveniente de ser conectada a un bus de datos descontinuado, por tal motivo el microscopiodebe disponer de un computador desactualizado que presente las características adecuadas paraconectar esta tarjeta.

Se sugiere el cambio de la tarjeta de adquisición por una de conectividad actualizada de formatal que el microscopio pueda ser usado por cualquier clase de computador contemporáneo.

2.4.2. SoftwareEl software usado con el microscopio se denomina SPM4ALL 3.5. Este se encuentra para libre

circulación en [2]. En el capítulo de visualización a nanoescala se hace una breve explicación decomo utilizar este software, sin embargo para una referencia más detallada dirijase a [11].

Luego de este proyecto también se ha sugerido la implementación de un nuevo software parael control del microscopio, pues se han identificado fallas en la versión actual, las cuales puedenser correjidas y mejoradas con una nueva implementación.

2.5. Conclusiones y recomendacionesEn las secciones anteriores se han expuesto todos los elementos que conforman el microscopio

de efecto túnel de la Universidad de los Andes. Todos los puntos tocados son una evidencia dela clara posibilidad de diseñar y fabricar electrónica de alta calidad a nivel local. La depuracióny optimización llevada a cabo a partir del kit de construcción desarrollado en Alemania es unaprimera muestra de la capacidad de diseño en Colombia. Se hace hincapíe sobre este hecho debidoa que cada uno de los elementos sugeridos por terceros es altamente susceptible de ser corregidoo mejorado. Se recomienda sostener un punto crítico respecto a todos los diseños presentados yprocurar tener conocimiento y entendimiento claro de todos ellos. Con este fín es necesario quecualquier persona que se disponga a hacer algúna modificación a los diseños aquí propuestos seencarge de documentarlos adecuadamente y de esta forma hacer claro su funcionamiento paralo futuros operarios.


Figura 2.7: Esquemático del nuevo circuito de control del STM-Uniandes

2.5 Conclusiones y recomendaciones 15

7/14/2008 02:21:42p mirrored C:\Users\hptest\USB Sebastian\TESIS\Circuitos\Board STM uniandes\Control.brd

Figura 2.8: Layout con partes del nuevo circuito de control del STM-Uniandes


7/14/2008 02:22:57p mirrored C:\Users\hptest\USB Sebastian\TESIS\Circuitos\Board STM uniandes\Control.brd

Figura 2.9: Layout del nuevo circuito de control del STM-Uniandes

Capítulo 3

Fabricación de puntas de barrido

LAS puntas de barrido, como se ha observado de las secciones anteriores, representan unaspecto fundamental en el trabajo con el microscopio de efecto túnel. Debido a las características

de este microscopio, tanto las puntas como las muestras siempre deben ser de un material metálicoo conductor. Esto se debe a la necesidad de tener una estructura electrónica constante a travésde la muestra, lo cual bajo un barrido del microscopio, resultaría en un mapa topográfico de lasuperficie de la misma.

Uno de los parámetros más importantes en el microscopio, es la resolución lateral que estepuede lograr. Este parámetro depende principalmente de la agudeza que presentan las puntas.Con el fín de caracterízar la resolución del equipo definimos el radio de punta como el radio dela circunferencia más pequeña que se puede inscribir en la geometría de la punta (regularmenteparabólica o hiperbólica) como lo ilustra la Figura 3.1. A partir de este radio se puede estimaruna resolución lateral de[1]:

δ(A) ≈ 3[R(A)]1/2 (3.1)

Figura 3.1: Caracterízación de la geometría de una punta de barrido.[3]

Con el objeto de lograr buenas imágenes o barridos satisfactorios, es indispensable que eloperario sea tan metódico como sea posible, ademas de ser extremadamente cuidadoso en lamanipulación de todos los elementos. Esto se debe a que se desea tener un procedimientoreproducible en la visualización de superficies, lo cual a su vez requiere de un procedimientoreproducible en la fabricación de puntas de barrido. Cabe notar que por las dimensiones dela punta, el más mínimo roce de esta con cualquier otro elemento, arruinará por completo laprimera y producira resultados no deseados en la operación del equipo.

En adelante se expondrán los dós métodos usados en la fabricación de puntas de barrido parael STM-Uniandes.

18 Fabricación de puntas de barrido

3.1. Métodos de fabricación de puntas de barridoEspecíficamente para el STM los métodos más usados son[21]:• Electroquímico.• Pulimiento mecánico (grinding).• Corte manual.El pulimiento mecánico fue reportado desde los primeros experimentos realizados por Binnig

y Roher [8]. Este se basa en el lijado de la punta hasta dejarla tan aguda como el método lopermita. De manera general este método no alcanza más de unas cuantas micras de radio depunta, sin embargo existen pequeños filamentos que pueden actuar como puntas en si mismos.El pulimiento electroquímico y corte manual han sido desarrollados y estandarizados para eluso del microscopio en materiales como el tungsteno (W) y el Platino-Iridio. A continuación sedescriben este par de métodos de la forma en que son aplicados localmente. [3]

3.1.1. Pulimiento electroquímicoEl método electroquímico es un proceso que estimula la remoción de material de tal manera

que la punta se forma en la interface de dos medios, uno conductor y otro aislante. Unacomplicación de este método es que después de fabricada la punta, especialmente si es detungsteno (W), se requiere de un proceso de limpieza para asegurar estabilidad en la corrientede tunelamiento. [3]

El método electroquímico implica la presencia de 4 elementos, detallados en la Figura 3.2:Un electrolíto, un ánodo y un cátodo (electrodos), y una diferencia de potencial aplicada entreellos. [3]

Figura 3.2: Esquema general de un proceso electrolítico.[3]

Este primer método que se usa en el CMUA se denomina la técnica de desprendimientolamelar (lamellae drop-off technique), su geometría se muestra en la Figura 3.3.

Descripción de la técnica de desprendimiento lamelar

Tomado de [3]Inicialmente; un alambre de donde se fabrica la punta, que puede ser de W o Pt-Ir; se sumerge

en una solución acuosa de KOH ó NaOH a una profundidad li. El alambre entonces será el ánodo.El cátodo por su parte es un anillo o cilindro, ubicado concéntricamente alrededor del alambre,que debe ser preferiblemente de un metal inerte o resistente a la corrosión como Pt ó aceroinoxidable.

Al hacer la inmersión, un menisco se forma en la interface solución-medio no conductor(aire)alrededor del alambre, a partir del cual se genera la punta. Al aplicar una diferencia de potencial,material del alambre es removido y migra hacia el cátodo. Esto propicia la formación de un cuello,que finalmente termina en la ruptura del alambre, lo cual produce dos puntas, como lo indicanlas líneas punteadas de la Figura 3.3.

Dependiendo de las condiciones de voltaje, y la geometría del montaje, la punta inferior puedeser usada para el STM, aunque en la mayoría de los casos, se prefiere la superior.

3.2 Fabricación de puntas de Tungsteno(W) 19

Figura 3.3: Esquema de la técnica de desprendimiento lamelar para fabricación de puntas debarrido.[3]

El voltaje aplicado en este método es DC, y las puntas obtenidas tienen una forma hiperbólica [22].

3.1.2. Corte ManualEl método de corte manual se basa en el mismo principio funcional que el pulimiento mecánico.

Este método es especialmente usado para puntas de Platino-Iridio (Pt-Ir). Al aplicar un corteespecífico sobre el alambre, es posible producir pequeñas puntas sobresalientes de la superficie delmaterial, una de estas puntas eventualmente tiene el radio requerido para una buena resolución.

3.2. Fabricación de puntas de Tungsteno(W)Sección adaptada del Apéndice D de [3]En esta sección se indica el procedimiento de fabricación de puntas de barrido con un alámbre

de tungsteno de diámetro 0.5 mm (0.25 mm). Si se requiere usar otro diámetro (e.g. 0.25) se puedeseguir el mismo procedimiento, sin embargo este puede no resultar satisfactorio. Con el objetode aclarar los detalles técnicos del proceso y el circuito de electropulido, refierase a [3].

3.2.1. Materiales y reactivos1. Hilo de tungsteno (99.95% puro) de 0.50 mm de diámetro. (Nanoscience o Goodfellow)2. Aguja hipodérmicas referencia 20G× 1/2 in. (Franpacas)3. Agua destilada o desionizada.4. Potasa caústica (KOH).5. Alambre de cobre calibre 23AWG (Diámetro:0.58 mm).6. Objeto cilíndrico de 8 mm de diámetro1.7. Lija 220.8. Recipiente aforado.9. Recipiente para almacenar la solución electrolítica.

10. Mascarilla.11. Guantes de caucho.

3.2.2. Equipos• Montaje de manufactura de agujas. (Estructura, microposicionador y recipiente) Ver Figura

3.4.• Osciloscopio.

1En este caso se usa la abrazadera de un terminal coaxial para video


• Circuito de control de electropulido. Ver Figura 3.5• Cortafrios de acero. Esta herramienta debe ser de buena calidad pues el tungsteno, que se

cortará con este elemento, es supremamente duro y deformará la herramienta si ésta no esde acero endurecido. (Stanley)

• Lupa.• Balanza.

Figura 3.4: Set-up mecánico para la fabricación de puntas de W

Figura 3.5: Circuito de electropulido para la fabricación de puntas de W[3]

3.2.3. Procedimiento

Preparación de la solución de KOH

La solución a preparar es 2M. Esto significa que debe haber 2 moles de soluto en dos litrosde solución. Aquí se da el procedimiento para preparar 1 l de solución.

La preparación debe llevarse a cabo usando una mascarilla y guantes de caucho. Una vez lasolución es preparada es inofensiva al tacto.

1. Pesar en la balanza 2 moles gramo de KOH. Es decir (Peso atómico K=39.1 + Pesoatómico O=16 + Peso atómico H=1 =56.10 g×2) 112.20 g.

2. Introducir el KOH pesado en el recipiente donde se almacenará la solución.


3. Medir 500 ml de agua destilada en el recipiente aforado y verterla en el recipiente dondeestá el KOH.

4. Agitar hasta homogeneizar y esperar 5 min. Tener cuidado: La reacción es exotérmica,expide olores desagradables y el líquido causa escosor en la piel mientras la reacción selleva a cabo.

5. Agregar nuevamente 500 ml de agua destilada en el recipiente del KOH. Agitar.6. Almacenar. La solución, bien tapada, puede durar aproximadamente 2 semanas.

Corte y preparación del tungsteno

1. Cortar 1 cm de hilo de tungsteno. El corte debe ser hecho de manera rápida y precisa.2. Ver con la lupa los extremos del fragmento de tungsteno cortado. No debe haber grietas

longitudinales (Figura 3.6). Si las hay, usar para la fabricación el extremo que no tengaesta grieta. La presencia de esta grieta indica un mal corte o una herramienta sin filo ode mala calidad. Usar un extremo con grieta no brindará buenos resultados.

3. Lijar la cara del extremo del trozo de tungsteno donde se va a fabricar la punta. El objetivode este paso es eliminar las irregularidades que quedan después del corte y que el extremotenga la apariencia de un cilindro.

4. Extraer de la aguja hipodérmica la aguja como tal, es decir, el tubo metálico, sin causardeformaciones ni daños al mismo.

5. Introducir en el lado no puntudo de la aguja hipodérmica el extremo no lijado del alambrede tungsteno una profundidad de 5 mm.

6. Con el cortafrio, deformar con firmeza en varios puntos la aguja hipodérmica sobre elalambre de tungsteno. Debe quedar entonces con la apariencia de la Figura 3.7. Estepaso debe fijar el alambre de tungsteno para que no se mueva y para que haga contactoeléctrico con la aguja. Si esto no sucede, hincar hasta lograrlo.

Figura 3.6: Esquema de una grieta longitudinal en alambre de tungsteno causada por un procesode corte defectuoso.[3]

Figura 3.7: Esquema de una grieta longitudinal en alambre de tungsteno causada por un procesode corte defectuoso.[3]


Posicionamiento y preparación del montaje

1. Corte 30 cm de alambre de cobre para hacer el cátodo. Moldee el ánillo alrededor delobjeto circular y forme el alambre de tal manera que el cátodo quede con la forma de laFigura 3.8. No corte el sobrante. El cátodo debe quedar como lo muestra la Figura.

2. Ponga el cátodo en el recipiente. La parte que mide 27 mm debe quedar contra la paredinterior del recipiente y en posición vertical. Además debe quedar en frente a una de las4 orejas del recipiente. Enrolle el sobrante de alambre de cobre en la oreja más cercana,dejando un pedazo para enrollar en la siguiente oreja y otro para hacer contacto. Tododebe quedar como lo muestra la Figura 3.9.

3. Llene el recipiente de la solución de KOH 2M hasta justo cuando la superficie del líquidocubra el anillo.

4. Introduzca la aguja hipodérmica en el cabezal de tornillo. Apriete de tal manera quequede fija. Debe quedar como lo muestra la figura 3.10.

5. Posicione el montaje como lo muestra la Figura 3.4.6. Haga descender la aguja girando el tornillo de ajuste z del microposicionador, hasta que

la punta del alambre de tungsteno toque la superficie del líquido.7. Gire el tornillo hasta obtener la longitud de inmersión requerida. Haga uso de la escala

del microposicionador.

Figura 3.8: Fotografías del cátodo usado para la fabricación de puntas de barrido.[3]

Figura 3.9: Fotografías del recipiente usado para la fabricación de puntas de barrido.[3]

Proceso electrolítico

Recuerde que antes de hacer una punta de barrido para ser usada, los voltajes óptimosde electropulido para la longitud de inmersión deseada debieron haber sido determinados, y


Figura 3.10: Fotografías del montaje de la punta usado para la fabricación.

la resistencia Rc del circuito de control debió ser puesta en el valor apropiado para lograrlo.Igualmente la resistencia Rf también debió haber sido puesta en un valor óptimo para darlesensibilidad apropiada al circuito. Los detalles respecto al funcionamiento del circuito de electropulidose encuentran en [3], sin embargo la investigación ha demostrado que las puntas de W resultanbastante agudas bajo una inmersión de 2mm en la solución. Para este caso, las condicionesóptimas de voltaje de electropulido son de 3 V para 2 mm. Las resistencias Rf y Rc son ajustadasy sus valores se muestran en la Tabla 3.1.

Longitud de inmersión[mm] Rc[Ω] Rf[Ω] Tiempo de fabricación promedio[min]

2 240 5000 42

Tabla 3.1: Resumen de las condiciones de fabricación óptimas obtenidas para longitudes deinmersión de 2

1. Conecte las terminales del circuito de control de electropulido de acuerdo a la rotulaciónde las mismas. Debe conectar las terminales de alimentación y las que van al montaje.

2. Conecte una punta del osciloscopio a la punta de prueba rotulada como Q. La otra debe ira las puntas de prueba rotuladas como Rc. En la punta más cercana al trimmer se mediráel voltaje de la resistencia Rc, o sea, una señal directamente proporcional a la corrientede electropulido. La otra punta es tierra.

3. Prenda los dos dip-switch rotulados como Cf.4. Prenda la fuente de alimentación. Verifique que la señal conectada a Rc sea 0 V y la

conectada a Q sea cercana a 5 V5. Oprima el pulsador marcado como Set. La señal Q debe saltar a 0 V y Rc a un valor

superior a 0.6. Apague los dip-switch rotulados como Cf.7. Cuando la señal Q vuelva a un valor cercano a 5 V y la señal conectada a Rc vuelva a 0 V

la punta de barrido estará terminada.8. Saque con mucho cuidado la punta del montaje. Si va a almacenarla, hágalo en un

recipiente con alcohol isopropílico. Si va a usarla en el STM vea el siguiente capítulo.9. Recuerde que un roce de la punta de barrido con cualquier elemento, no importa que tan

leve parezca, dañará la punta y no valdrá la pena su uso en el STM pues los resultadosno serán apropiados.


3.2.4. Caracterización de puntas de tungsteno

Como primer paso en la caracterízación de las puntas de barrido fabricadas, es suficienteobservarlas con una lupa comercial a un aumento cercano a los 10X. Si con este instrumento nologramos apreciar el radio de punta, entonces es necesario hacer una microscopia óptica de lasmismas.

Un microscopio óptico con aumento cercano a 400X es suficiente para discernir entre unabuena y una mala punta, a ser usada para visualización. Un aumento de este valor nos brindauna resolución promedio de alrededor de 1µm dependiendo del tipo de microscopio. El grupo deIngeniería Biomédica y el Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andesdisponen de un par de microscopios apropiados para este tipo de medidas. Las Figuras 3.11 y3.12 ilustran la microscopía óptica de un par de puntas de W fabricadas con el montaje antesexpuesto de donde nos es posible afirmar que el radio de punta es menor a 1µm.

Figura 3.11: Microscopía óptica de punta de W a 2mm de inmersión

Figura 3.12: Microscopía óptica de punta de W a 2mm de inmersión

Un diametro de este valor es suficiente para afirmar que el microscopio presenta una resoluciónde escala nanométrica, sin embargo estas imágenes no son suficientes para caracterizar el radiode punta real de estas agujas.

Con el fin de caracterizar realmente este radio se han realizado microscopías electrónicas delas agujas las cuales se ilustran en las figuras 3.13 y 3.14. De este par de imágenes es posibleapreciar que el radio de punta de las agujas es del orden de 300nm, por tanto se espera que elinstrumento tenga una resolucion lateral promedio de:

δ(A) ≈ 3[R(A)]1/2 ∼= 18nm (3.2)


Figura 3.13: Microscopía electrónica de punta de W a 2mm de inmersión[3]

Figura 3.14: Microscopía electrónica de punta de W a 2mm de inmersión[3]

3.2.5. Comentarios y recomendacionesDel desarrollo experimental expuesto arriba se hace evidente que a partir de un conjunto

de materiales no muy complicado, es sencillo producir puntas de barrido adecuadas para unaSTM. Se recomienda de nuevo al operario ser tan metódico como ea posible, pues todos estosprocedimientos se ven seriamente afectados por las condiciones experimentales.

En cuanto a la fabricación de las puntas como tal es muy importante tener paciencia yproducirlas sin afán, pues de esto depende el exito del procedimiento, pues evidentemente nose desea tomar 40 minutos en un procedimiento que producirá una punta defectuosa o de bajacalidad.

El circuito de electropulido es uno de los puntos fundamentales de la fabricación de puntasde W. Este puede presentar fallas o funcionar inapropiadamente, sin embargo en un 90 % de loscasos este presenta un buen funcionamieto. Eventualmente se puede presentar ruido eléctrico demanera que la señal de corte oscile, en cuyo caso se deben prender y apagar los condensadoresnuevamente; similarmente el circuito puede detener el electropulido sin que el procedimientorealmente haya terminado debido a que un ruido mecánico causó suficiente cambio en la corrientepara que esto sucediera, en este caso se debe reiniciar el electropulido como se ha descrito arriba.


3.3. Fabricación de puntas de Platino Iridio(PtIr)En esta sección se indica el procedimiento de fabricación de puntas de barrido con un alámbre

de Platino-Iridio (PtIr) de diámetro 0.25 mm. El procedimiento aquí expuesto se basa en losreportados en la literatura como corte mecánico. La referencia [23] ilustra los resultados quepueden ser logrados con esta técnica.

3.3.1. Materiales y reactivos1. Hilo de Platino-Iridio 80/20 (99.95 % puro) de 0.25 mm de diámetro. (Nanoscience o

Goodfellow)2. Aguja hipodérmicas referencia 20G× 1/2 in. (Franpacas)

3.3.2. Equipos• Pinzas o alicates dentados de acero inoxidable con punta aguda. (Technik)• Cortafrios diagonal. Esta herramienta debe ser de buena calidad pues se desea tener un

corte firme y limpio. (Nanoscience o Proskits)• Lupa.

3.3.3. ProcedimientoEl proceso de fabricación se describe enseguida y se ilustra en la figura 3.15.1. Cortar 10mm del alambre de PtIr.2. Extraer de la aguja hipodérmica la aguja como tal, es decir, el tubo metálico, sin causar

deformaciones ni daños al mismo.3. Introducir en el lado no puntudo de la aguja hipodérmica un extremo del alambre de PtIr

una profundidad de 5 mm.4. Asegurar el alambre hincando el tubo de la aguja hipodermica.5. Cortar 2.5mm de alambre usando cortafrios diagonales y procurando cortar en un ángulo

agudo, entre el eje del alambre y el eje del cortafrios. Adicionalmente ejercer una fuerzacontraria al alambre, de tal manera que corte y elonge al mismo tiempo.

Preparacion Corte

F

10mm

α < π4

Figura 3.15: Metodología de fabricación de puntas de PtIr

La punta fabricada debe lucir como la ilustra la figura 3.16

Figura 3.16: Aspecto real de una punta de PtIr

3.3 Fabricación de puntas de Platino Iridio(PtIr) 27

3.3.4. Caracterización de puntas de PtIrUna microscopía óptica de las puntas de PtIr producidas con esta metodología se ilustran en

las figuras 3.17 y 3.18. De estas imágenes de nuevo podemos afirmar que el radio de punta esalgo menor que 1µm, y de nuevo consideramos estas puntas apropiadas para la visualización desuperficies a nanoescala.

Figura 3.17: Microscopía optica de puntas de PtIr

Figura 3.18: Microscopía óptica de puntas de PtIr

Una cuantificación más exacta de estas es posible a partir de microscopía electrónica debarrido, como se ilustra en la figura 3.19. De esta última podemos cuantificar el radio de puntaen aproximadamente 70nm.

Una estimación de la resolución lateral del microscopio basado en el radio R, esta dada por[1]:

δ(A) ≈ 3[R(A)]1/2 ∼= 7,9nm (3.3)

3.3.5. Comentarios y recomendacionesDe nuevo se ha mostrado un procedmiento sencillo con el cual obtener puntas de barrido

adecuadas para el microscopio. Debido al caracter experimental de este procedimiento , esimposible dar lugar a una aguja estandar de PtIr, sin embargo se propone una metodologíaque funciona el 80% los casos y que presenta una funcionalidad bastante alta en el trabajo conmicroscopios de barrido.

El Platino-Iridio, en comparación con el Tungsteno (W) usado normalmente, provee unmétodo rápido y sencillo de fabricación de puntas además del hecho de que estas puntas nose oxidan por lo cual no requieren un almacenamiento ni limpieza complicados. Se recomiendasin embargo que se realice una pequeña limpieza en alcohol isopropílico antes de llevar a cabobarridos usando la punta fabricada.


Figura 3.19: Microscopía electrónica de puntas de PtIr

Capítulo 4

Visualización de superficies ananoescala

EL presente capítulo describe el procedimiento de barrido de superficies a nanoescala haciendouso del STM-Uniandes. Aquí se describe desde la preparación de la muestra, hasta todos los

detalles a saber de las imágenes adquiridas. De nuevo se recomienda al operario ser tan metódicocomo sea posible, en el sentido de hacer reproducibles todos los experimentos realizados. Hastael más mínimo detalle de las condiciones de un experimento debe ser guardado con el fín depoder analizar los resultados adecuadamente.

4.1. Preparación y montaje de la muestra

Como ya se ha descrito, las muestras a ser observadas en el microscopio deben ser detipo conductor. A la fecha, el equipo ha sido usado para observar superficies de dos muestrasdiferentes, sin que estas sean las únicas que pueden ser observadas en el instrumento. Las muestrastrabajadas son:

• Grafito Pirolítico de Alto Ordenamiento (HOPG).• Oro depositado sobre policarbonato en grid de periodicidad 160nm. (Nanogrid 160:T de

Nanosurf)Con el fin de obtener resultados adecuados es importante que el operario tenga un conocimiento

cualitativo previo de la muestra. Se considera adecuada una muestra con las condiciones ilustradasen la Figura 4.1.

2 Defectos en la muestra

10nm

10nm

50nm

10nm

Figura 4.1: Características mínimas deseables en una muestra a ser observada con el equipoSTM

El portamuestras dispuesto en el microscopio fue implementado por Sarmiento [11] y allí sereseña su operación. Este presenta un funcionamiento bastante elemental por lo cual se omitirácualquier explicación adicional. La Figura 4.2 ilustra esquemáticamente el funcionamiento delmismo y el montaje apropiado de la muestra.

30 Visualización de superficies a nanoescala

Figura 4.2: Montaje de la muestra en el STM-Uniandes

4.2. Procedimiento de visualización

Esta sección da una guía general del proceso de visualización con el STM. Tanto Sarmiento[11] como Bernal [3] ya han hecho una guía detallada del mismo, sin embargo se han hechoalgunos cambios y se considera pertinente aplicarlos para el correcto uso del equipo.

4.2.1. Instrumentación necesaria

Con el fín de operar adecuadamente el microscopio se recomienda disponer de los siguientesinstrumentos:

1. Una fuente dual (±15V , 100mA).2. Dos osciloscopios digitales de dos canales.3. Un multímetro digital de buena calidad (e.g. Fluke).

4.2.2. Conexiones del sistema

La caja de control del STM-Uniandes usa cuatro tipos de conectores a saber: DB9, BNC,banana y RCA. Las conecciones a ser realizadas son:

1. Tres cables (2 rojos y 1 negro) con conector de banana se deben conectar desde una fuentedual (±15V) al equipo.

2. Dos cables negros con conector de banana se deben conectar desde la salida de potenciade la caja de control (±10V) hasta la entrada de potencia de la caja de preamplificación.

3. Un cable con conector DB9-DB37 debe conectarse al equipo desde el PC.4. Tres cables RCA (Audio) conectan los piezoeléctricos en el sistema mecánico con los

tres conectores rotulados Piezos (x, y y z) en la caja de control. (Los cables también seencuentran rodulados) (En el conector z de la caja de control, anteponer una Y al cableproveniente del montaje mecánico)

5. Dos cables BNC conectan It en el preamplificador y Bias en el sistema mecánico, con losconectores rotulados como Signal y Bias, en el lado izquierdo (El que no tiene una Trotulada).

6. Dos cables BNC conectan la salida Iref en la parte posterior de la caja de control y lasalida SIGNAL T(derecha) con las dos entradas de un osciloscopio.

7. Un cable BNC conecta la salida BIAS T(derecha) con la entrada de otro osciloscopio.8. Una de las puntas de prueba del osciloscopio se conecta al punto sobrante en la Y del

conector Piezo z (cualquiera de los dos puntos). El caimán de tierra de la punta de pruebadebe conectarse a la caja del circuto de control, es decir a la tierra general del circuito.

9. Recordar que los cables deben ir soportados en el montaje mecánico como se mostró en ladescripción inicial del equipo.

4.2 Procedimiento de visualización 31

4.2.3. Posicionamiento de la punta1. Levante la caja de preamplificación sin desconectar sus terminales y ubíquela en un

lugar apartado del cuerpo del microscopio, como por ejemplo las placas del sistema devibraciones.

2. Levante la placa superior del cuerpo de microscopio e inviértala, colocandola nuevamentesobre la placa inferior con los tornillos apuntando hacia arriba.

3. Introduzca la aguja hipodermica por el lado puntudo en el portaagujas hasta donde seaposible. Asegurese de que la punta quede firmemente ajustada en el portaagujas.

4. Gire los tornillos delanteros en el sentido de las manecillas de reloj hasta llegar al límite.5. Voltee nuevamente la placa superior y póngala en su posición apropiada.6. Ponga nuevamente la caja de preamplificación sobre el cuerpo del microscopio.7. Conecte el cable que va de la punta a la caja de preamplificación. El conector BNC va

a la caja, y el extremo sin terminal se introduce en la aguja hipodérmica estableciendocontacto eléctrico.

El montaje debe quedar como lo muestra la Figura 4.3.

Figura 4.3: Fotografía de la punta de barrido posicionada en el equipo STM[3]

4.2.4. Procedimiento de aproximación

Una vez colocada la punta de barrido, se debe aproximar verticalmente sobre la muestra.Para esto el equipo debe estar prendido y un par de niveles de presición deben estar puestossobre cada una de las dos placas que componen el cuerpo del microscopio.

Los tornillos frontales brindan aproximación gruesa('200 µm/vuelta), mientras el tornilloposterior brinda aproximación fina ('2 µm/vuelta).

1. Apague todo equipo electrónico y eléctrico excepto el microscopio, los osciloscopios yel computador de adquisición de datos. Toda fuente de luz cercana también debe serapagada.

2. Ponga un voltaje entre punta y muestra en el orden de 200 mV con la perilla BIAS de lacaja de control.

3. Gire la perilla SET en el sentido opuesto de las manecillas del reloj desde su posiciónmedia y ajuste una corriente de referencia de 1V en el osciloscopio.


4. Ponga las perillas CONTROL I,P en la mitad de su recorrido.5. Aproxime la punta a la muestra con los tornillos frontales (giro en el sentido contrario a

las manecillas del reloj) mientras observa la separación con una lupa. Hágalo hasta dondele sea posible sin estrellar los dos elementos.

6. Escoja uno de los dos tornillos frontales para continuar con el proceso.7. Gire la menor cantidad que pueda el tornillo de aproximación gruesa. Observe si la señal

It tiene algún salto súbito. Si lo tiene y su valor es de −10 V retire la punta de la muestrausando el tornillo de aproximación fina (giro en el sentido de las manecillas del reloj)hasta que la señal PIEZO Z tenga un valor intermedio entre -10V y 10V, y la señal It

tenga el mismo valor de Iref . En ese momento hay rango de tunelamiento y usted puedecontrolar el valor de la corriente de tunelamiento variando la perilla SET.

8. Si hubo salto súbito, pero el valor de PIEZO Z es un valor extremo (+10V ó -10V), gireel tornillo de aproximación fina hasta que se cumpla lo dicho en el numeral anterior.

9. Si no hay salto subito continue girando la aproximación gruesa repitiendo el paso 6.10. En cualquier caso, el rango de tunelamiento debe alcanzarse sin golpear la punta contra

la muestra: Un rango de tunelamiento se reconoce cuando la señal It es diferente de 0 Vy la señal PIEZO Z se encuentra en un valor intermedio entre -10V y 10V.

11. Si la señal It no es estable se debe aumentar el CONTROL I girando la perilla en elsentido contrario a las manecillas del reloj. Un aumento excesivo puede resultar en unaoscilación del piezoeléctrico z. Nunca es desebale llegar a ese estado.

12. Debido a la manipulación manual, un procedimiento estándar es imposible de plantear.Este funciona la mayoría de los casos pero se requiere habilidad y familiaridad con elequipo para lograrlo.

4.2.5. Visualización1. Mantenga la punta de barrido en rango de tunelamiento sin hacer ninguna modificación

durante aproximadamente 20 minutos o un tiempo en el cual la señal It y PIEZO Z sevuelvan estables.

2. Haga el barrido desde el software de adquisición. Su uso se detalla en [11], sin embargose da una breve introducción a este en la siguiente sección.

4.2.6. Software de adquisiciónEl software de adquisición se titula SPM4ALL 3.5 y fue desarrollado por el Interface Physics

Group de la Westfälische Wilhelms-Universität, este se encuentra para libre distribución en [2].El uso que se le dá en este proyecto se limita a dos de sus herramientas, escanéo de superficiesy edición de imagenes. A continuación se describen este par de funciones.

Barrido de superficies

La Figura 4.4 muestra los elementos básicos de la ventana principal de este software. Para elbarrido de superficies siempre se inicia barriendo el área más grande posible, en el caso de estesoftware 400nm. La velocidad de barrido es uno de los parámetros más importantes en el uso delinstrumento, los detalles se presentan en la sección Caracterízación de superficies conductorasa nanoescala, pero en este punto se puede decir que una velocidad de entre 0,5Hz a 5,0Hz esadecuada. Con el fin de guardar todos los barridos realizados, se activa la casilla todos los cuadros.Debido a que se desean minimizar los efectos de la histéresis sobre la imagen se hacen barridosunidireccionales ya sea de derecha a izquiera o al revés. Finalmente se inicia el barrido con elbotón Scan.

Edición de imágenes

Luego de haber adquirido imágenes, es necesario acceder a ellas por intermedio del softwarey desde este guardarlas en formato *.bmp. La Figura 4.5 ilustra la ventana de edición de lasimágenes adquiridas. Desde esta podemos modificar el valor máximo y mínimo entre el cual se

4.2 Procedimiento de visualización 33

Figura 4.4: Entorno adecuado de la ventana para realizar barridos en el software SPM4ALL 3.5

ubica la escala de 256 grises que describen la imagen, o cambiar la resolución de la misma. Esimportante que siempre se use la misma resolución con la cual se hizo el barrido. Siempre quese abra una imagen esta saldrá con resolución 128, si el operario cambia la resolución con el fínde guardarla es necesario luego volverla a 128 antes de ocultarla.


Figura 4.5: Entorno de la ventana para editar imágenes en el software SPM4ALL 3.5

4.3. Ejemplos de visualización a nanoescala

Siguiendo el procedimiento arriba descrito, se realizaron barridos repetibles sobre una muestrade calibración de oro depositado sobre policarbonato ilustrada en la figura 4.6, así como unamuestra de HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite, SPI Supplies). La validez de estasimágenes se basa en:

• Su similitud con la figura original provista por el fabricante.• Reproducibilidad del barrido para diferentes direcciones de barrido y diferentes materiales

de la punta.

Figura 4.6: Imagen de referencia del fabricante del NanoGrid 160: T , Nanosurf[4]. Tomada conNanosurf easyScan E-STM

En adelante se muestran múltiples imágenes producidas a partir del software SPM4All3.5, provisto por el Interface Physics Group en [2], al barrer la muestra de calibración arriba

4.3 Ejemplos de visualización a nanoescala 35

mencionada y una muestra de HOPG. Imágenes similares fueron obtenidas en diferentes experimentosgarantizando la confiabilidad del instrumento. Se recomienda al lector mirar detenidamente estasimágenes así como sus leyendas, pues estas indican con precisión las condiciones bajo las cualesestas fueron adquiridas.

Con el fín de eliminar la pendiente de la imagen (proveniente del posicionamiento de la puntasobre la muestra y la deriva de los piezoeléctricos) y visualizarla adecuadamente, se lleva a caboun procesamiento usando MATLAB e ImageJ el cual se describe en detalle en el Apendice A, yconsta básicamente de los siguientes puntos.

• Reducción de tamaño.

• Eliminación de pendiente.

• Cambio de offset a 100 (Escala de 256 grises).

0

255

100

En la siguiente subsección se presentan todas las imágenes adquiridas con el microscopio deefecto túnel de la Universidad de los Andes.

4.3 Ejemplos de visualización a nanoescala 37

4.3.1. Imágenes de Au Grid & HOPG obtenidas con elSTM-Uniandes

Barrido de muestra NanoGrid 160:T, Nanosurf. Barridos desde arriba eizquierda. a. Vbias = 200mV , Iref ≈ 1,4nA, vbarrido = 5Hz, punta estandarde W(r≈ 300nm), b. Vbias = 200mV , Iref ≈ 1,5nA, vbarrido = 1Hz, puntaestandar de W(r≈ 300nm)

Barrido de muestra NanoGrid 160:T, Nanosurf. Barridos desde abajo eizquierda. a. Vbias = 200mV , Iref ≈ 1,4nA, vbarrido = 5Hz, punta estandarde W(r≈ 300nm), b. Vbias = 200mV , Iref ≈ 1,4nA, vbarrido = 1Hz, puntaestandar de W(r≈ 300nm)

Barrido de muestra de HOPG. a. Barrido desde arriba e izquierda. Vbias =200mV , Iref ≈ 1,5nA, vbarrido = 5Hz, punta estandar de W(r≈ 300nm), b.Barrido desde abajo e izquierda. Vbias = 200mV , Iref ≈ 1,5nA, vbarrido = 5Hz,punta estandar de W(r≈ 300nm)


a. b.

1300nm±130

635nm±71

Imagen procesada en 3D del barrido sobre grid de oro. a. Vbias = 200mV ,Iref ≈ 1,4nA, vbarrido = 5Hz b. Vbias = 200mV , Iref ≈ 1,5nA, vbarrido = 1Hz,Punta estandar de W(r≈ 300nm). ImageJ

a. b.

1300nm±130100nm±10

Imagen procesada en 3D del barrido sobre grid de oro. a. Vbias = 200mV ,Iref ≈ 1,4nA, vbarrido = 5Hz b. Vbias = 200mV , Iref ≈ 1,4nA, vbarrido = 1Hz,Punta estandar de W(r≈ 300nm). ImageJ

a. b.

1300nm±130

1300nm±130

Imagen procesada en 3D del barrido muestra de HOPG. a. Vbias = 200mV ,Iref ≈ 1,5nA, vbarrido = 5Hz b. Vbias = 200mV , Iref ≈ 1,5nA, vbarrido = 5Hz,Punta estandar de W(r≈ 300nm). ImageJ

4.4 Caracterízación de superficies conductoras a nanoescala 39

4.3.2. Comentarios y recomendacionesComo ya se ha mencionado, un procedimiento estándar de aproximación es imposible de

plantear para el microscopio. Este funciona la mayoría de los casos pero se requiere habilidad yfamiliaridad con el equipo para lograrlo. Se considera que la lectura detallada de este documentoproveera un 50 % de la familiaridad necesaria para manejar el equipo, lo demás es facilmenteadquirible a través de un par de horas de manipulación.

Por otro lado, también es importante mencionar la paciencia necesaria en la correcta manipulacióndel instrumento, pues la buena adquisición de imagenes puede tomar algo más de media horapor cada barrido. Aca se ha sugerido una gama amplia de velocidades, sin embargo las más bajasproducen mejores resultados. Más adelante se verá la influencia de la velocidad de escaneo en laadquisición de imágenes.

Finalmente se recomienda seguir al pie de la letra todo el procedimiento descrito arriba yser tan metódico como sea posible, de forma tal que sin tomarse demasiado tiempo se puedanreproducir los resultados arriba descritos.

4.4. Caracterízación de superficies conductoras a nanoescalaCon el objeto de que el STM-Uniandes se considere una herramienta completa de caracterización,

es necesaria la cuantificación tridimensional de la superficie observada. La situación respecto a losejes longitudinales x, y se considera satisfactoria; pues en este caso, la calibración del instrumentomuestra que efectivamente el área barrida tiene las dimensiones adecuadas de 1300nm±130.Estasituación es diferente para la cuantificación en el eje vertical z. En este caso la herramienta nopresenta un funcionamiento óptimo, pues aunque las superficies observadas siempre revelan lasmismas características en el barrido, la escala en z no está adecuadamente calibrada y aun no sepuede hacer ninguna afirmación respecto a la “altura” de los defectos observados. A continuaciónse describe puntualmente la calibración para ambos casos y se presenta un análisis adicional dela distorsión que el STM-Uniandes introduce a las imágenes.

4.4.1. Ejes longitudinales x, y

La calibración del STM-Uniandes se hizo con base a la hoja de datos de los elementospiezoeléctricos que componen el escáner. Con base en la figura 23 de [24], Figura 4.8, el movimientode los piezos para la actuación bipolar expuesta en la descripción general del STM, es de1300nm±130 para una polarización de ±20V. Los tamaños de cuadro para valores más pequeñosde voltaje, son calculados linealmente a partir del máximo mencionado.

20v

Max Stroke= 6.5µm

Effective bipolar stroke= 2x.65µm = 1.3µm± 10%

[24]

yreal

ygraficado

xreal

xgraficado

Figura 4.7: Caracterízación lateral del escáner a partir de la hoja de datos de los piezoeléctricosque lo componen.

Un ejemplo de la fiabilidad del microscopio es la comparación directa entre la figura 4.6 ylas expuestas en la sección “Ejemplos de visualización a nanoescala”. En estas figuras, el patrónobservado es el mismo y se describe cualitativamente la topografía de la superficie. Cabe notar


que en las figuras antes mencionadas solo se ha conservado el barrido y la escala de grises provistapor el software SPM4All 3.5, puesto que se ha llegado a nuevas conclusiones respecto a la ventanade barrido y estas se han editado para mostrar adecuadamente la superficie observada.

4.4.2. Eje transversal z

Un punto crítico en el funcionamiento del microscópio, es la velocidad con la cual la muestraes escaneada. Tal como se mencionó anteriormente, la corriente de túnel puede cambiar en variosordenes de magnitud con tan solo una variación de un nanometro en la distancia de tunelamiento.Esta característica en la interacción punta-muestra, además de la influencia de la geometría de lapunta y la amplificación de corriente, constituyen una planta no caracterizada y bastante difícilde controlar.

Es deseable entonces que el barrido se haga lo suficientemente lento para no afectar larespuesta del control. Un barrido de alrededor 0.1Hz en la señal más rápida se considera adecuado.Sin embargo, gran cantidad de la experimentación aquí presentada se llevó a cabo a 5Hz, de formatal que los resultados de la “altura” en z sólo constituyen la respuesta del control a excitacionesimpulsivas.

Experimentación adicional fue llevada a cabo a una velocidad de 0.2Hz revelando que cuandose controla completamente la corriente de túnel, la señal en el piezo z describe adecuadamentela topografía de la superficie; sin embargo, dadas las características de la muestra de calibración,estas imágenes se consideran útiles únicamente bajo un análisis profundo de las mismas. Estose debe a que un cambio de 14nm del piezoeléctrico z solo produce ∼200mV de cambio en unaescala de 256 grises entre ±10V. Este concepto es expuesto en la Figura 4.8

Pz+20v

-20v(-10v-unipolar)

(+10v-unipolar)+650nm

-650nm

12bits

Visualizacion

Resolucion: 20212 ≈ 5mV

Vmax−Vmin

256

Ejemplo

HOPGatomic step(≈ 0.25nm)

∆V ≈ 4mv

Au Nanogridstructure step

(≈ 14nm)

∆V ≈ 200mv

Figura 4.8: Caracterízación transversal del escáner a partir de la hoja de datos de lospiezoeléctricos y la adquisición de datos en el computador.

4.4.3. Distorsión

Otra característica fundamental en el trabajo con esta herramienta, es la distorsión introducidaa las imágenes por efectos de deriva, histéresis y acoplamiento en los piezoeléctricos. Los barridosson llevados a cabo unidireccionalmente de tal manera que se minimice la distorsión introducidapor los mismos, una explicación al respecto se puede encontrar en [3]. Sin embargo, los cambios de


forma observados entre la figura 4.6 y las tomadas con el microscopio son atribuidas principalmentea la deriva de los piezoeléctricos. A continuación se mira en detalle cada uno de estos efectos.

Histéresis

Con el fin de caracterizar que tanta distorsión introduce la histéresis, se pueden compararcualitativamente dos imágenes tomadas sucesivamente, hacia abajo y hacia arriba. En estasimágenes se debe observar la histéresis introducida tanto por el piezo x como por el y. En elcaso del piezo x se observa únicamente la histéresis introducida en una sola dirección mientraslos dos barridos ilustran el comportamiento del piezo y bidireccionalmente. Esta apreciación sedescribe en la Figura 4.9.

Figura 4.9: Dos barridos consecutivos del NanoGrid 160:T, Nanosurf. Barridos desde la izquierda.Vbias = 200mV Iref ≈ 1nA. Izquierda: barrido hacia abajo, derecha: barrido hacia arriba.

Con el fín de modelar la distorsión introducida, es posible generar una geometría similar alNanoGrid 160: T en MATLAB, rotarla de acuerdo al barrido apreciado, y aplicar histéresis a unbarrido unidireccional de la imagen, tanto hacia arriba como hacia abajo. Las curvas de histéresisaplicada se aprecian en la Figura 4.10 mientras el modelaje se ilustra en la Figura 4.11.

Deriva

En el caso de la deriva, basta con mirar como en cualquiera de los barridos, el número deestructuras repetidas en dos ejes transversales es diferente; es decir, se pueden contar un númerode repeticiones en uno de los ejes de periodicidad diferente al número que se pueden contar en uneje transvesal al primero. Esta apreciación se describe en la Figura 4.12. Con el fín de modelarla distorsión introducida por la deriva, es posible de nuevo generar una geometría similar alNanoGrid 160: T en MATLAB, rotarla de acuerdo al barrido apreciado, y aplicar deriva a unbarrido unidireccional de la imagen. Las curvas de deriva aplicada se aprecian en la Figura 4.13mientras el modelaje se ilustra en la Figura 4.14.

Cross-Coupling

Un fenómeno adicional identificado en la estructura mecánica del escáner dispuesto en elmicroscopio, es el acople entre ejes transversales del tripode. Una manera sencilla de identificaresta distorsión se ilustra en la Figura 4.15. Básicamente se sabe que el movimiento de uno de losejes causa movimiento entre el otro par de ejes perpendiculares.

Con el fin de modelar esta distorsión se generó una simulación en Ansys Multiphysics la cual seilustra en la Figura 4.16. Adicionalmente, al procesar una imágen tomada con el STM-Uniandesen ImageJ, fué posible evidenciar el cross coupling en la imagen adquirida, esto se muestra en laFigura 4.17


Figura 4.10: Curvas de distorsión aplicadas al grid simulado en Matlab. En el eje y el valordibujado, en el eje x el valor real (tanto para el barrido en x como para y). En verde un barridocompletamente lineal, en azul la histéresis aplicada al eje x y y

Conclusión

Una observación cuidadosa de las figuras 4.9, 4.11 y 4.14, muestra que efectivamente la formay tendencia vistas en los barridos del STM-Uniandes, corresponden a la histéresis y deriva de lospiezoeléctricos descrita en [24], principalmente deriva. Adicionalmente se sabe que este par defenomenos pueden ser modelados de manera sencilla con un procesamiento en Matlab. El códigousado para la generación de este modelaje se adjunta en el Apéndice B.


y2real/2

yreal

ygraficado

a. b.

Figura 4.11: Cuantificación en MATLAB de la histéresis de los piezos a partir de la aplicación deun barrido con histéresis x2/2, a la función z = f(x, y) = sin(x) + cos(y) rotada 5π

18 . a. Barridohacia abajo, b. Barrido hacia arriba.

Figura 4.12: Barrido estándar del grid Nanosurf 160:T en el cual se ilustra la distorsiónintroducida por la deriva.


Figura 4.13: Curvas de distorsión aplicadas al grid simulado en Matlab. En el eje y el valordibujado, en el eje x el valor real (tanto para el barrido en x como para y). En verde un barridocompletamente lineal, en azul la deriva aplicada al eje y y en rojo la deriva aplicada al eje x

Figura 4.14: Barrido del grid generado con distorsión especificada en la figura 4.13

Pz

Px

Figura 4.15: Esquema de la distorsión introducida por el tripode que compone el escáner.


Figura 4.16: Simulación de la distorsión introducida por el tripode que compone el escáner.

Figura 4.17: Evidencia de la distorsión introducida por el tripode que compone el escáner.

Capítulo 5

Modificación de superficies ananoescala

EL presente capítulo expone la metodología generada para la modificación superficial ananoescala y muestra los resultados obtenidos en su experimentación. La metodología aquí

expuesta carece de suficiente experimentación para considerarse como definitiva, por tal motivose motiva al estudiante a que lleve a cabo trabajo adicional al respecto con el fín de caracterízarpor completo este procedimiento.

5.1. Metodología

El procedimiento de modificación superficial seguido está basado en la experimentación hastaahora reportada en la literatura. Se realiza una variación de la técnica mencionada en [25] y [26],en la cual se aplican pulsos rectangulares de voltaje punta-muestra de entre 1.5-3 V y duraciónpromedio de 250µs, con el fin de modificar permanentemente la superficie de la muestra.

Se adapta entonces esta técnica a la disposición local del equipo, y se produce el siguienteprocedimiento de modificación de superficies a nanoescala con el STM-Uniandes:

1. Barrer la muestra cuando menos 2 veces identificando detalles superficiales que permitanubicar espacialmente las estructuras a fabricar.

2. Al iniciar un nuevo barrido, reducir la ventana a 0nm, posicionar la punta de barrido enel sitio deseado y aplicar un pulso de voltaje manualmente conforme lo ilustra la figura5.1.

3. Aumentar la ventana de barrido al rango máximo (e.g. 1300nm).4. Terminar el barrido en curso, y realizar un barrido posterior con el fin de observar y

cuantificar la modificación realizada.

Vbias

Vbarrido

Vmod

ttbaj

Visualizacionpreliminar

ModificacionVisualizacionposterior

tsub

Figura 5.1: Metodología de modificación superficial a nanoescala

48 Modificación de superficies a nanoescala

5.2. Resultados

La nanofabricación se refiere a las herramientas y técnicas que pueden ser usadas paracambiar la estructura o propiedades de la materia a escala nanométrica[27]. En este sentido,la metodología expuesta en el capítulo anterior hace parte de una técnica de nanofabricación.Esta técnica posee la ventaja de que tanto la modificación como la visualización son hechas insitu, lo cual provee un conocimiento inmediato de las estructuras fabricadas[27].

Con base en la metodología expuesta se llevaron a cabo multiples experimentos, con diferentescaracterísticas, sobre una muestra de Grafito Pirolítico de Alto Ordenamiento (HOPG). Lasmodificaciones llevadas a cabo a partir de esta técnica se consideran de naturaleza química,más específicamente oxidación electroquímica [26]. Para el caso del STM-Uniandes los voltajespunta-muestra siempre son negativos. De [25] se sabe que el material modificado tiende adepositarse sobre el electrodo de menor potencial, por tanto, la modificación aquí propuestacrea pequeños huecos sobre la superficie de la muestra.

De los experimentos llevados a cabo solo uno de ellos fue satisfactorio, en el sentido deque la modificación fue realizada y posteriormente observada sin afectar las condiciones debarrido. De estos experimentos se concluyó que las condiciones apropiadas para llevar a cabo lamodificación pueden variar y hacer complicada la observarción y caracterízación de los defectosrealizados. En adelante se ilustran dos figuras con el procedimiento completo de modificaciónsuperficial. En la Figura 5.2 se han conservado las ventanas de barrido obtenidas directamentedel software en 10 barridos diferentes donde se evidencia la modificación. Cada barrido ilustradofue realizado consecutivamente. La Figura 5.3 ilustra los resultados del experimento satisfactorioen tres dimensiones usando ImageJ. De estas figuras se puede apreciar que efectivamente setomó una región específica de la muestra y esta fue satisfactoriamente modificada a través delprocedimiento aquí descrito.

5.3. Análisis, conclusiones y recomendaciones

5.3.1. Análisis

En la Figura 5.2 se ilustran los barridos obtenidos directamente del software SPM4ALL 3.5.En los en 10 barridos diferentes se evidencia que existen detalles superficiales sobre la muestralos cuales sirven como referencia para la identificación de posteriores modificaciones. Entre elbarrido 4 y 5 se presenta la primera modificación llevada a cabo y de la figura es evidente que estafue realizada dentro de las características de la muestra barridas anteriormente. Luego de esta,se aplica una segunda modificación más severa de la cual de nuevo es evidente que la superficiede la muestra ha cambiado permanentemente por efectos de la interacción con la punta.

Debido a la carencia de experimentación exitosa es imposible hacer alguna afirmación respectoa la naturaleza física de la modificación. Sin embargo de las referencias ya mencionadas se esperaque esta sea debido al fenómeno de oxidación electromquímica presentado entre la punta y lamuestra.

Finalmente, es importante notar que el experimento fue hecho bajo condiciones experimentalesbastante estrictas y que en la posibilidad de reproducir estas condiciones está el exito de laposterior investigación. Muchas de estas condiciones son desconocidas y por esta razón se motivaa seguir investigando al respecto hasta encontrar características adecuadas para el funcionamientode la técnica.

5.3.2. Conclusiones

El procedimiento presentado en la sección anterior fue efectivamente aplicado y demostróresultados cualitativamente existosos; sin embargo la poca experimentación adicional llevada acabo no arrojó resultados concluyentes respecto a la aplicación de la técnica. En este sentidosolo se sabe que la técnica, a pesar de su sencillez, presenta dificultados bastante serias en suaplicación. Cada barrido ilustrado fue realizado consecutivamente, a excepción del barrido en el

5.3 Análisis, conclusiones y recomendaciones 49

cual se hace la modificación, y de allí es posible afirmar que la técnica genera resultados existososcon condiciones experimentales adecuadas.

5.3.3. RecomendacionesSe recomienda dedicar una gran cantidad de tiempo a la experimentación pura de este

procedimiento bajo condiciones experimentales estrictamente controladas y conocidas. Este desarrollopuede llevar al establecimiento final de la metodología de modificación y haría del STM-Uniandesuna poderosa herramienta, no solo usada para la visualización sino para la modificación desuperficies a nanoescala.

Existen algunos indicios de que la modificación llevada a cabo no fue de tipo electroquímico,sino por el contrario una deposición de oxido de tungsteno sobre la superficie de la muestra, puesconforme se describe en la carpeta de documentación el experimento fue llevado a cabo el JuevesSanto del año 2008 usando una punta estándar de tungsteno fabricada varias semanas antes ysin almacenamiento (una punta oxidada). Se recomienda llevar a acabo experimentación cercanaa estas caracterísicas y controlar muchas más variables de entorno.

5.3 Análisis, conclusiones y recomendaciones 51

Figura 5.2: Modificación superficial a nanoescala sobre HOPG. Primera: Vbias = 200mV , Iref ≈1nA, vbarrido = 5Hz, vmod = 3V , tsub ≈ 4s, tbaj ≤ 0,5s, Punta estandar de W (r≈300nm).Segunda:Vbias = 200mV , Iref ≈ 1nA, vbarrido = 5Hz, vmod = 8V , tsub ≈ 7s, tbaj ≤ 0,5s, Puntaestandar de W (r≈300nm).

1300nm±130 1300nm±130

Figura 5.3: Imagen 3D de la modificación ilustrada en la figura 5.2. ImageJ

Capítulo 6

Conclusiones, recomendaciones ytrabajo futuro

EL presente capítulo presenta todas las conclusiones, recomendaciones y sugerencias detrabajo futuro resultado del proyecto. Los comentarios aquí presentados son de caracter

general, sin embargo abordan cada uno de los capítulos desarrollados para dar de esta forma unaestructura completa a este documento, es decir, hacer una presentación clara de los tópicos y asímismo concluir respecto todos los avances presentados en torno al desarrollo del STM-Uniandes.

6.1. Conclusiones

• Se generó un kit STM-Uniandes con funcionalidad comprobada, el cual constituye unaherramienta didáctica para la familiarización y experimentación con la técnica.

• El análisis y depuración llevado a cabo respecto al kit provisto por el Interface PhysicsGroup, demostró que existían varias equivocaciones en el diseño presentado en [2], estasdiscrepancias fueron efectivamente corregidas con un nuevo diseño e implementación.

• Los complementos mecánicos introducidos dan la posibilidad de usar el microscópio enhorarios habituales de trabajo, o incluso obtener muy buenas imágenes en horarios de bajotráfico.

• La calibración del sistema dió lugar la posibilidad de caracterizar bidimensionalmentesuperficies desde 4nm hasta 1300nm cuadrados.

• A través de un algoritmo de procesamiento de imágenes en MATLAB se hace posible laadecuación de los datos provistos por el software SPM4All 3.5. Esto es debido a que lalectura de señales del STM no es de directa interpretación, lo cual hace mas dificil suoperación y requiere de paciencia por parte del operador.

• Se reprodujo una técnica de fabricación de puntas de barrido a nivel loca, la cual esextremadamente sencilla y funcional. Está técnica arrojó resultados muy satisfactorios,tanto desde el punto de vista de su caracterízación (radio de punta) como de su uso en lavisualización de superficies a nanoescala.

• Desde el punto de vista del usuario, se generan dos metodologías; una para el barridode superficies y la otra para su modificación. Estas metodologías fueron comprobadasexperimentalmente, y se se puede afirmar una funcionalidad promedio del 70 % en lavisualización contra 10 % en modificación.

• Se presenta un procedimiento exitoso de modificación a nanoescala usando el STM-Uniandes,mostrando así evidencia clara de la posibilidad de lelvar a cabo este procedimiento.

• Se permite identificar los efectos que generan distorsión. Se simulan y cualifican de manerageneral para alcanzar un mayor entendimiento de las imágenes obtenidas así como de lainteracción física del instrumento.

54 Conclusiones, recomendaciones y trabajo futuro

6.2. Recomendaciones• Desarrollar todos los procedimientos aquí descritos al pie de la letra para de esta forma

reproducir de manera sencilla los resultados hasta la fecha alcanzados con el microscopio.• No limitarse a reproducir resultados. Existen muchas nuevas pruebas y experimentos para

llevar a cabo y de ellos pueden resultar grandes conclusiones.• En caso de que no se tenga éxito en el trabajo con el equipo, no desfallecer de inmediato,

pues se necesita de paciencia y perseverancia en el trabajo para llegar a un satisfactoriologro de objetivos.

• La experimentación rígida y metódica son las características ideales a tener en el trabajocon el instrumento. Hasta el más minimo detalle debe ser consignado con el fín de dar uncorrecto análisis a los datos adquiridos en el experimento.

• Ser conciente de que el trabajo experimental no tiene una sola respuesta es muy importante.Muchas veces se pueden topar con diferentes apreciaciones sin saber cual de ellas escorrecta, y aun cuando la crean correcta con seguridad no lo es. Lo mejor es experimentarpor si mismos.

• Finalmente, tener algo de creatividad, iniciativa y dinamismo puede llevar a muy buenosresultados en el trabajo experimental aquí propuesto.

6.3. Trabajo Futuro• Se recomienda explorar la caracterización tridimensional de las superficies, a través de

muestras con detalles de cientos de nanómetros y el barrido a tasas lo suficientementelentas para lograr buena respuesta del control.

• A partir de este documento, es posible generar la versión ceró del manual de usuario delequipo. Sería recomendable tener tal documento en compañia del equipo para referenciade los estudiantes.

• Adicionalmente se pueden llevar a cabo experimentos en la modificación superficial, haciendouso de una gama diferente de materiales, medios como agua desionizada o líquidos nopolares, y a partir de esto establecer metódicamente el voltaje apropiado para modificacionesespecíficas.

• El cambio de la tarjeta y la creación de un software propio del microscopio son tareas queno pueden tardar mucho en llegar a si fín, pues en ese caso el microscopio empezaría avolverse obsoleto debido a su incompatibilidad con nuevos sistemas.

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http://link.aip.org/link/?RSI/71/1702/1

www.piezomechanik.com/f/core/frontend/http/http.php?dl=67-file-1

Apéndice A

Procesamiento de imágenes

Como se ha expuesto anteriormente en este documento, las imágenes adquiridas por elSTM-Uniandes pueden ser procesadas computacionalmente con el fín de hacerlas más adecuadaspara su caracterízación y análisis. El presente apéndice presenta los detalles del procesamientollevado a cabo sobre los datos obtenidos de SPM4ALL 3.5, con el fín de obtener las imágenespresentadas en el capítulo 4.

A.1. DistorsiónLas imágenes provenientes del microscopio poseen diferentes factores de distorsión los cuales

ya fueron expuestos. Aca presentamos un factor adicional el cual es corregido por software y sedebe al alineamiento vertical de la punta sobre la muestra o de manera más general la relaciónentre el eje horizontal del escáner y la superficie de la muestra. La Figura A.1 ilustra estefenómeno.

Muestra

Punta

Escaner

Figura A.1: Pendiente introducida a las imágenes del STM-Uniandes

58 Procesamiento de imágenes

A.2. AlgoritmoCon el fín de eliminar la pendiente introducida a la imagen, proveniente del posicionamiento

de la punta sobre la muestra como se expuso arriba, se lleva a cabo un procesamiento usandoMATLAB el cual consta básicamente de los siguientes puntos.

• Reducción de tamaño.

• Eliminación de pendiente.

• Cambio de offset a 100 (Escala de 256 grises).

0

255

100

Luego de realizar este procedimiento, es posible cargar la imagen modificada en un softwarebasado en Java y de libre distribución llamado ImageJ, el cual se encuentra disponible enhttp://rsbweb.nih.gov/ij/. A través de la herramienta Interactive 3D Surface Plot obtenemosuna imagen en tres dimensiones ajustable para la caracterízación de la superficie de la muestra.

A.3. Código

A.3.1. stm.m

close all; clc; clear all;%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Parámetros del barrido%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%nombrefoto='13.bmp';resolucion=512;tamVentana=400;limsuperior=4;liminferior=−13;%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Procesamiento de la imagen

A.3 Código 59

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%escala=factorcaract/(limsuperior−liminferior);stmuniandes(nombrefoto,resolucion, 1,tamVentana);

A.3.2. stmuniandes.m

function f= stmuniandes(nombrefoto,tam, escala,ventana)if tam == 256 || tam == 512

xinicio=146;yinicio=26;reduceSize(nombrefoto,xinicio,xinicio+tam−1,yinicio,yinicio+tam−1,'salida.bmp');

elseerror('Tamaño mal especificado')end

imagen=imread('salida.bmp');imagen1=double(imagen)*escala;x= 0:1:tam−1;for j=1:tam

a=(imagen1(j,:));p = polyfit(x',a',1);for i=1:tam

a2(i)=a(i)−x(i)*p(1);endimagen2(j,:)=(a2);

end

for j=1:tama=(imagen2(:,j));p = polyfit(x',a,1);for i=1:tam

a2(i)=a(i)−x(i)*p(1);endimagen3(:,j)=(a2);

end

minimo=mean(mean(imagen3));if minimo<100

resta=100−minimo;for j=1:tam

for i=1:tamimagen4(j,i)=imagen3(j,i)+resta;

endend

elseresta=minimo−100;for j=1:tam

for i=1:tamimagen4(j,i)=imagen3(j,i)−resta;

endend

endfactorventana=1300/400;imagen5=round(imagen4);imagen6=uint8(imresize((imagen5),[factorventana*ventana factorventana*ventana]));imwrite(imagen6,'imagenprocesada.bmp' , 'bmp');%Graficasfiguresubplot(1,3,1), imshow(nombrefoto)title('Imagen original del Schul−STM')subplot(1,3,2), imshow('salida.bmp')imshow('salida.bmp')title('Imagen original del barrido')subplot(1,3,3), imshow('imagenprocesada.bmp')title('Imagen del barrido procesada')figureimshow('imagenprocesada.bmp')title('Imagen procesada')

60 Procesamiento de imágenes

end

A.3.3. reduceSize.m

function f = reduceSize(nombre, inicioX, finX, inicioY, finY, nombreSalida)img = imread(nombre);salida = zeros(finY−inicioY,finX−inicioX);for i = inicioX : finX

for j = inicioY : finYsalida(j − inicioY + 1,i−inicioX + 1) = img(j,i);

endendimagesc(salida,[0 255]);colormap(gray);salidaUint8 = uint8(round(salida));%imshow(salidaUint8);imwrite(salidaUint8, nombreSalida, 'bmp');

close all;end

A.4. RecomendacionesEl programa aquí diseñado corrige los barridos realizados con el STM-Uniandes respecto a

la distorsión introducida por el cambio de pendiente en el posicionamiento de la punta sobre lamuestra. Anteriormente se expusierón factores de distorsión adicionales, sin embargo estos nose han tratado a nivel software. Se recomienda estudiar la posibilidad de modificar los datosadquiridos con el fín de volverlos lo más reales posibles.

Eventualmente estas modificaciones deberían aplicarse directamente sobre el software conel que se hace la adquisición de datos en el equipo. Con este fín es recomendable formularadecuadamente las necesidades del microscopio, y de esta forma proceder en la elaboración deun nuevo software de adquisición.

Apéndice B

Modelaje de distorsión en lasimágenes

B.1. histeresis.m

close all; clc;clear all;x=0:1:511;[X,Y] = meshgrid(0:1:511);angle=50*(pi/180);A=[cos(angle) sin(angle);−sin(angle) cos(angle)];B=[1 0;0 1];for j=1:512

for i=1:512vector = [X(j,i), Y(j,i)]*A;X(j,i)=vector(1);Y(j,i)=vector(2);

endend

z= 30*(2.5−cos((12*pi/512)*X)−cos((12*pi/512)*Y));image=round(z);

image2=uint8(image);figure;imshow(image2);

f1=1+((512)/(512^2/2))*(x.^2/2);f2=x;figureplot(x,f1,'b',x,f2,'g');for j=1:512

for i=1:512image3(513−j,i)=image(round(f1(j)),round(f1(i)));image4(j,513−i)=image(round(513−f1(j)),round(513−f1(i)));

endend

figureimshow(uint8(image3));figureimshow(uint8(image4));

B.2. deriva.m

close all; clc;clear all;x=0:1:511;

62 Modelaje de distorsión en las imágenes

[X,Y] = meshgrid(0:1:511);angle=−22*(pi/180);A=[cos(angle) sin(angle);−sin(angle) cos(angle)];B=[1 0;0 1];for j=1:512

for i=1:512vector = [X(j,i), Y(j,i)]*A;X(j,i)=vector(1);Y(j,i)=vector(2);

endend

z= 30*(2.5−cos((12*pi/512)*X)−cos((12*pi/512)*Y));image=round(z);

image2=uint8(image);figure;imshow(image2);

f1=1+(0.9*x);f2=x;f3=1+(0.4*x);figureplot(x,f1,'b',x,f2,'g',x,f3,'r');

for j=1:512for i=1:512

image3(j,i)=image(round(f1(j)),round(f3(i)));image4(513−j,513−i)=image(round(513−f1(j)),round(513−(i)));

endend

figureimshow(uint8(image3));

Apéndice C

Catálogo de proveedores

Material Empresa ContactoAlambre de tungsteno policristalino,99.95 % puro, diámetro 0.5/0.25 mm

Goodfellow Inc. Orden por internet(http://www.goodfellow.com/csp/active/gfHome.csp). Envíointernacional.

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