Microscópio de corrente de tunelamento

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Um microscópio de varredura por tunelamento pelo lado de fora
Interior do microscópio

Um microscópio de corrente de tunelamento (STM por suas siglas em Inglês) é um instrumento que permite obter imagens de átomos e moléculas ao nível atómico. O seu desenvolvimento em 1981 levou a que os seus inventores, Gerd Binnig e Heinrich Rohrer (IBM Zürich), receberem o Prémio Nobel de Física em 1986. Para um STM, é considerado que uma boa resolução é 0.1 nm de resolução lateral e 0.01 nm de resolução de profundidade. Com esta resolução, átomos individuais dentro dos materiais são rotineiramente visualizados e manipulados. Um STM pode ser usado não apenas em ultra-alto vácuo mas também no ar, água e múltiplos outros líquidos ou ambientes gasosos, e em temperaturas que variam do zero absoluto a algumas centenas de graus Celsius.

O STM é baseado no conceito de tunelamento quântico. Quando uma ponta condutora é posicionada muito próxima da superfície a ser analisada, uma corrente de polarização (diferença de voltagem) aplicada entre os dois pode permitir aos electrões passar através do vácuo entre ambos. A corrente de tunelamento é uma função da posição da ponta, voltagem aplicada e a densidade local de estados da amostra. A informação é adquirida monitorizando a corrente conforme a posição da ponta através da superfície, e é usualmente vista em forma de uma imagem. A microscopia de corrente de tunelamento pode ser uma técnica desafiadora, já que requer superfícies extremamente limpas e estáveis, pontas afiadas, excelente controlo de vibrações e electrónicas sofisticadas.

Imagem de uma superfície reconstruída de ouro
imagem da STM de nanotubos de carbono

Princípio de funcionamento[editar | editar código-fonte]

Simplificadamente o microscópio tem uma sonda apontada para uma superfície, a dica de scans (varreduras) a superfície para representar. Um computador ajusta (através de um sistema servo) em tempo real a altura da ponta para manter uma corrente elétrica constante (uma corrente de tunelamento) e grava esta altura, o que permite reconstruir a superfície.

Para isso, um sistema de posicionamento com alta precisão (obtido utilizando um sistema piezoelétrico), um driver avançado é colocado na frente da superfície em estudo, e que mede a corrente oriunda da passagem de elétrons entre a ponta e a superfície por tunelamento. Na maioria dos casos, esta corrente varia muito rapidamente com a distância entre a sonda e a amostra (varia exponencialmente), com uma distância média de algumas dezenas de nanômetros.

Assim, a ponta se move sobre a amostra com um movimento de varredura e ajusta a altura de modo a manter uma intensidade de corrente de túnel constante por meio de um ciclo de realimentação. Podemos, então, determinar o perfil da superfície com uma precisão menor do que as distâncias interatômicas de ordem femtômetros.

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