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Microscopia de Tunelamento
Gilberto Medeiros-Ribeiro

Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, Campinas, SP

 

Uma das mais fascinantes invenções dos anos 80 foi sem dúvida o microscópio de tunelamento (STM — Scanning Tunnelling Microscope), que permitiu o desenvolvimento de uma variedade enorme de possibilidades de interação com o mundo nanométrico, através das chamadas microscopias de varredura de sondas (do inglês SPM — Scanning Probe Microscopy). O objetivo deste capítulo é o de fazer uma breve revisão dos princípios básicos de funcionamento de um STM e do espectro de possibilidades para o estudo de propriedades de superfícies.

O mecanismo básico que permite o funcionamento do microscópio de tunelamento é bastante simples: tomemos uma ponta metálica, polarizada positiva ou negativamente (tensões da ordem de 1 Volt) em relação a um substrato metálico que se pretende investigar. Uma pequena corrente de tunelamento, em geral da ordem de alguns nanoamperes, começa a circular para distâncias suficientemente pequenas entre a amostra e a ponta, em geral da ordem de 10 Å. Esta ponta pode ser movimentada sobre a superfície através de voltagens aplicadas em um cristal piezoelétrico nas direções x, y e z [1], cujos deslocamentos são previamente calibrados por meio de padrões. A figura 1 apresenta de forma esquemática um microscópio de tunelamento. (1) representa o tubo piezoelétrico para varredura da ponta (2) sobre a superfície da amostra a ser investigada (3). Em se mantendo a corrente constante através dos deslocamentos do elemento piezoelétrico Z, durante a varredura em X e Y através de potenciais aplicados nesses eletrodos (4), gera-se uma imagem (5). Uma unidade de controle (6) permite que o mecanismo de retroalimentação seja implementado através de corrente constante.

Dada a baixa energia dos elétrons (1 eV) e seu correspondente comprimento de onda relativamente grande (Å), quando comparada ao espaçamento entre átomos em cristais (Å), pode-se perguntar o limite de resolução desta técnica. No entanto, por se tratar de um regime de campo próximo (distância entre a ponta ), a resolução espacial não é mais limitada por difração e sim pela geometria da ponta. Para que o limite de um átomo seja alcançado é, portanto, necessária a utilização de condições de extrema limpeza, ou seja, ultra-alto vácuo. A ponta em si pode ser facilmente preparada através de ataque eletroquímico [2], geralmente utilizando-se fios de W ou Ir.

Figure 1. Principais elementos de um microscópio de tunelamento:  (1) elemento piezoelétrico para varredura,  (2) ponta afilada por ataque eletroquímico,  (3) superfície a ser investigada,  (4) eletrodos metálicos depositados no material piezoelétrico,  (5) imagem gerada em computador, e  (6) unidade de controle.

 

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