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Un microscopio de efecto túnel  (en inglés  Scanning tunneling microscope  o STM) es uninstrumento para tomar imágenes de superficies a nivel atómico. Su desarrollo en 1981 hizo ganar a sus inventores !erd "innig  # $einrich %ohrer   (de  &"'  rich) el *remio +o,el de -sica  en198/.01  02 *ara un S3' se considera 4ue una ,uena resolución es 5.1 nm de resolución lateral #5.51 nm de resolución de profundidad.06 7on esta resolución los átomos individuales dentro de losmateriales son rutinariamente visualizados # manipulados. l S3' puede ser usado no solo en

ultra alto vaco sino 4ue tam,ién en aire agua # varios otros l4uidos o gases del am,iente # atemperaturas 4ue a,arcan un rango desde casi cero elvin hasta unos pocos cientos de grados7elsius.0:

l S3' está ,asado en el concepto de efecto t;nel. 7uando una punta conductora es colocadamu# cerca de la superficie a ser e<aminada una corriente de polarización (diferencia de volta=e)aplicada entre las dos puede permitir a los electrones pasar al otro lado mediante efecto t;nel através del vaco entre ellas. >a resultante corriente de tunelización es una función de la posición dela punta el volta=e aplicado # la densidad local de estados (>?@S por sus siglas en inglés) de lamuestra.0: >a información es ad4uirida monitoreando la corriente conforme la posición de la puntaescanea a través de la superficie # es usualmente desplegada en forma de imagen. >a

microscopa de efecto t;nel puede ser una técnica desafiante #a 4ue re4uiere superficiese<tremadamente limpias # esta,les puntas afiladas e<celente control de vi,raciones # electrónicasofisticada.

*rimero una tensión de volta=e es aplicada # la punta es colocada cerca de la muestra por un,urdo control Amuestra a puntaA 4ue es apagado cuando la punta # la muestra estánsuficientemente cerca. n un rango cercano el fino control de la punta en todas las tresdimensiones cuando está cerca de la muestra es tpicamente piezoeléctrico  manteniendo laseparación puntaBmuestra C tpicamente en el rango entre :BD E 4ue es la posición de e4uili,rioentre interacciones atractivas (6FCF15E) # repulsivas (CF6E).0: n esta situación la tensión devolta=e causará 4ue los electrones realicen el efecto t;nel entre la punta # la muestra creando unacorriente 4ue puede ser medida. Una vez 4ue el AtunelamientoA es esta,ilizado la tensión de

volta=e de la punta # su posición con respecto a la muestra pueden ser variadas (con los detalles deesta variación dependiendo del e<perimento) # los datos son o,tenidos de los resultantes cam,iosen corriente.

Si la punta es movida a través de la muestra en el plano <B# los cam,ios en la altura de lasuperficie # la densidad de estados causan cam,ios en la corrienteG estos cam,ios son mapeadosen imágenes. l cam,io en la corriente con respecto a la posición puede en s mismo ser medido o,ien puede ser medida la altura de la punta z correspondiente a una corriente constante. 0: stosdos modos de operación son llamados modo de altura constante # modo de corriente constanterespectivamente. n el modo de corriente constante la electrónica de retroalimentación a=usta laaltura por un volta=e al mecanismo piezoeléctrico de control de altura.0H sto lleva a una variación

de altura # as la imagen viene de la topografa de la punta a través de la muestra # da unasuperficie de densidad de carga constanteG esto significa 4ue el contraste en la imagen es de,ido avariaciones en la densidad de carga.0/  n el modo de altura constante el volta=e # la altura semantienen am,os constantes mientras 4ue la corriente cam,ia para impedir 4ue el volta=e cam,ieGesto lleva a una imagen hecha de cam,ios de corriente so,re la superficie 4ue pueden ser relacionados a la densidad de carga.0/ l ,eneficio de usar un modo de altura constante es 4ue esmás rápido de,ido a 4ue los movimientos del piezoeléctrico re4uieren más tiempo para registrar elcam,io de altura en el modo de corriente constante 4ue el cam,io de volta=e en el modo de altura

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constante.0/  3odas las imágenes producidas por S3' están en escala de grises con color opcionalmente aIadido en postBprocesado para enfatizar visualmente caractersticas importantes.

 Jdemás de escanear a través de la muestra la información so,re la estructura electrónica a unalocalización dada en la muestra puede ser o,tenida por medio de ,arrer el volta=e # medir lacorriente en un lugar especfico.06 ste tipo de medida es llamada espectroscopia de efecto t;nel

(S3S por sus siglas en inglés) # tpicamente resulta en un mapa de la densidad de estados localescomo una función de la energa en la muestra. >a venta=a de la S3' so,re otras medidas de ladensidad de estados  reside en su ha,ilidad para hacer medidas e<tremadamente localesK por e=emplo la densidad de estados en un sitio de impureza puede ser comparada con la densidad deestados le=os de las impurezas.0D

-recuencias de imágenes de al menos 1 $z permiten realizar la llamada LideoBS3' (es posi,lemás de H5 $z).08 09 sto puede ser usado para escanear la difusión de superficie

>os componentes de un S3' inclu#en la punta de e<ploración un piezoeléctrico de alturacontrolada escáner <B# control muestraBaBpunta sistema de aislamiento de vi,raciones #

computadora.0H

>a resolución de una imagen está limitada por el radio de curvatura de la punta del S3'. Jdemássi la punta tiene dos puntas en vez de una pueden o,servarse irregularidades en la imageno,tenidaG esto lleva a Aimágenes de do,le puntaA una situación en la 4ue am,as puntascontri,u#en al efecto t;nel # en la 4ue se perci,e una imagen duplicada. 06  *or tanto ha sidoesencial desarrollar procesos para o,tener consistentemente puntas afiladas # ;tiles.%ecientemente se han utilizado nanotu,os de car,ono con este propósito. 011

>a punta puede estar fa,ricada de tungsteno o platinoBiridio aun4ue tam,ién se utiliza el oro paraello.06 >as puntas de tungsteno están fa,ricadas ha,itualmente por gra,ado electro4umico # laspuntas de platinoBiridio están fa,ricadas por corte mecánico.06

?e,ido a la e<trema sensi,ilidad de la corriente t;nel a la altura es imperativo un apropiadoaislamiento de vi,raciones o un cuerpo e<tremadamente rgido del S3' para o,tener resultados;tiles. n el primer S3' de "innig # %ohrer se usó levitación magnética para mantener el S3'li,re de vi,racionesG ahora se usan a menudo sistemas de resortes o resortes de gas.0:

 Jdicionalmente son implementados a veces mecanismos para reducir las corrientes parásitas.

'anteniendo la posición de la punta con respecto a la muestra el escaneo de la muestra # laad4uisición de los datos son controlados por computadora. 0H >a computadora puede ser usadatam,ién para me=orar la imagen con la a#uda de procesamiento digital de imágenes012 016 as comotam,ién para realizar medidas cuantitativas

'uchas otras técnicas de microscopa han sido desarrolladas ,asadas en el S3'. stas inclu#enla microscopa de escaneo de fotones (*S3') 4ue usa una punta óptica para hacer efecto t;nelen fotonesG06 potenciometra de escaneo por efecto t;nel (S3*) 4ue mide el potencial eléctrico através de una superficieG06 microscopa por efecto t;nel de espn polarizado (S*S3') 4ue usa unapunta ferromagnética para hacer efecto t;nel en electrones polarizados de espn en una muestramagnética01H # la microscopa de fuerza atómica  (J-') en la cual es medida la fuerza causadapor la interacción entre la punta # la muestra.

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@tros métodos de la S3' envuelven el manipular la punta para cam,iar la topografa de lamuestra. sto es atractivo por varias razones. *rimero el S3' tiene un sistema de posicionadoatómicamente preciso 4ue permite manipulación a una mu# precisa escala atómica. Jdemásdespués de 4ue la superficie es modificada por la punta es después una simple cuestión tomar laimagen con la misma punta sin cam,iar el instrumento. >os investigadores de &"' desarrollaronuna forma de manipular átomos de <enón adsor,idos en una superficie de n4uel.06 sta técnica ha

sido utilizada para crear AcorralesA de electrones con un pe4ueIo n;mero de átomos adsor,idos4ue permiten 4ue el S3' sea usado para o,servar oscilaciones electrónicas de -riedel  en lasuperficie del material. Jparte de modificar la superficie actual de la muestra se puede usar tam,ién el S3' para hacer efecto t;nel en electrones dentro de una capa de fotoresistor  de haz deelectrones en una muestra para hacer litografa. sto tiene la venta=a de ofrecer más control dee<posición 4ue la tradicional litografa de haz de electrones. @tra aplicación práctica del S3' es ladeposición atómica de metales (Ju Jg C etc.) con cual4uier patrón (preBprogramado) deseado4ue puede ser usada como contactos a nanodispositivos o como los propios nanodispositivos.

%ecientemente ciertos grupos han encontrado 4ue pueden usar la punta del S3' para rotar enlaces individuales dentro de moléculas individuales.0cita requerida  >a  resistencia eléctrica  de la

molécula depende de la orientación del enlace as 4ue la molécula se vuelve efectivamente uninterruptor molecular 

 JplicacionesK

 Jplicaciones del 'icroscopio de fecto 3unel n esta técnica se utiliza una punta mu# fina #conductora # se aplica un volta=e entre la punta # la muestra. 7uando la punta se acerca a unos 15

 E a la muestra los electrones de la muestra flu#en hacia la punta Mt;nelN o viceversa seg;n elsigno del volta=e aplicado. >a imagen o,tenida corresponde a la densidad electrónica de losestados de la superficie. >a corriente t;nel es una función 4ue vara de modo e<ponencial con ladistancia. sta dependencia e<ponencial hace 4ue la técnica S3' tenga una alta sensi,ilidadpudiéndose o,tener imágenes con resoluciones de su,Bansgtrom. sta técnica se puede utilizar en

modo de altura o corriente constante. >a principal venta=a de esta técnica es la resolución a escalaatómica 4ue ofrece. *ara conseguir este tipo de resolución se ha de tra,a=ar so,re mu# ,uenosconductores (*t Ju 7u Jg). Un e=emplo lo constitu#e el logro de la imagen tridimensional de unvirus 4ue infecta ,acterias # se halla en su medio natural. $asta ahora Oólo ha, P a sido posi,levisualizar estos virus mediante microscopa electrónica pero en condicionesmu# ale=adas de las naturalesK en vaco recu,iertos de una capa metálicapara evitar su completa destrucción durante el proceso de medida. Jdemás el '3 no destru#e nialtera el material ,iológico 4ue por tantopuede ser estudiado en condiciones mu# similares a las 4ue son caractersticasdel medio ,iológico pero con un detalle mu# superior al actualmente posi,le.3am,ién se ha aplicado a la visualización superficial de cristales de la enzimacatalasa. 3am,ién se ha ocupado para visualizar la superficie de un ,uen n;merode materiales de interés industrial como torni llos de ultraprecisión pistonesde in#ección de motores ?iesel o ,lo4uespatrón para cali,ración de espesores# te<tura de rugosidad superficial. n el área de ,iologa tam,ién se ha tra,a=ado con distintos tiposde virus mem,ranas celulares receptores enzimas protenas nucleosomas liposomas # otrostipos de macromoléculas. >a comprensión de los procesos microscópicos de conducción eléctricaen material ,iológico es de especial importancia en este conte<to. ?el mismo modo el campo delos nuevos materiales como vidrios metálicos sólidos ultra dé,iles polmeros l4uidos

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microcristales # cristales l4uidos se estan desarrollando con el uso de esta tecnologa. &ncluso enmedicina son previsi,les aplicaciones inmediatas. *or e=emplo una de las causas determinantesdel posi,le rechazo en los trasplantes de piezas artificiales como el corazón artificial o las prótesisde cadera podra ser determinada por la rugosidad superficial de la pieza implantada. n ,revespala,rasK el hecho de 4ue se puedan fotografiar superficies a presión atmosférica # ver estructurasatómicas a,re muchas posi,ilidades de

desarrollo. >a aplicación del efecto t;nel a la nueva microscopa demuestra 4ue es posi,le conproducir resultados 4ue tengan repercusiones tecnológicas de muchsima importancia para laciencia # la sociedad

  El Microscopio de Efecto Túnel (STM, por sus siglas en inglés, Scanning Tunneling

Microscope) fue desarrollado por Binnig y Rohrer en 19! ("BM #urich), por lo cual

reci$ieron el %re&io 'o$el de sica en 19*+ ue el pri&er instru&ento ue gener-

i&.genes at-&icas de super/cies y dio origen a toda una fa&ilia de &icroscopios desonda local (S%Ms) entre los ue se encuentran el 0M (ato&ic force &icroscope o

&icroscopio de fuera at-&ica), el S'2M (scanning near3/eld optical &icroscope o

&icroscopio -ptico de ca&po cercano), el MM (&agnetic force &icroscope o

&icroscopio de fuera &agnética) y &uchos otros ue suelen ser 4ariantes de estos+

Estos instru&entos son hoy en da herra&ientas funda&entales en la caracteriaci-n

de nue4os &ateriales tanto en la industria co&o en la 0cade&ia y en particular

instru&entos de estudio de nue4as propiedades en la escala nano&étrica (at-&ica y

&olecular) i&portantes en la e&ergente 5nanociencia y nanotecnologa6+ El STM se

present- en sociedad con una i&agen at-&ica de Silicio co&o se &uestra en la igura

1+

 >a caracterstica principal de todas las técnicas de sondeo local es 4ue la distancia de tra,a=o esmenor 4ue la longitud caracterstica de la interacción o sea 4ue se tra,a=a en lo 4ue se llamacampo cercano. *or e=emplo la longitud de onda del electrón para energas tpicas de tra,a=o en elS3' (menores a 15eL) es de apro<imadamente 1 nm (comprue,en esta afirmaciónQ) (1nmR15B9m).ste es por lo tanto el orden de la distancia de tra,a=o en un S3' o dicho en otras pala,ras elS3' sensa propiedades electrónicas a menos de 1nm de distancia de una muestraQ. *or ser locales los S*'s son herramientas especiales para estudiar propiedades sin periodicidad oinhomogeneidades espaciales como vacancias sitios de impurezas escalones dislocacionesnucleaciones etc.0de&.s de su funci-n de 5&icroscopio6 (o &.s $ien 5nanoscopio6) el STM agrega

infor&aci-n espectrosc-pica7 por e8e&plo la densidad local de estados electr-nicos, los

&odos 4i$racionales de &oléculas adsor$idas o los &odos colecti4os de ecitaci-n deuna &uestra+ Esto se de$e a ue la infor&aci-n recogida en un STM (o en cualuier

S%M) es cierta con4oluci-n de la topografa con las propiedades electr-nicas de la

&uestra+ :a interpretaci-n de las i&.genes de un STM (o cualuier S%M) es un te&a de

estudio en s &is&o+

Funcionamiento de un STM

l funcionamiento de un S3' puede resumirse en los siguientes puntosK

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Se acerca una punta metálica afilada a una superficie # se aplica una tensión entre punta #muestra

Se esta,lece una corriente cuando la punta está a unas pocas distancias interatómicas de lamuestra. sta corriente es de,ida a un efecto puramente cuántico llamado tuneleo. >aintensidad de la corriente es e<tremadamente sensi,le a la distancia puntaBmuestra.

Se ,arre so,re la muestra con actuadores piezoeléctricos cu#o movimiento vertical (z) esmane=ado por un lazo de control electrónico

>as variaciones de corriente o de seIal al piezoeléctrico z se asocian a la topografa #densidad electrónica de la muestra (para muestra homogéneas esta seIal tiene una ,uenacorrespondencia con la topografa de la muestra)

@tra de las capacidades del S3' es la de relevar espectros o sea de medir la densidad deestados electrónicos de la muestra en cuestión. n la -igura D puede verse es4uemáticamente losniveles electrónicos de energa en punta # muestra una vez 4ue se acercan am,as # se aplica latensión de polarización L.:a corriente puede ser escrita en tér&inos de la densidad local de estados electr-nicos

(:;2S), ue es $.sica&ente el nú&ero de electrones por unidad de 4olu&en en un

deter&inado lugar del espacio y a una deter&inada energa+