La microscopía de efecto túnel de barrido de múltiples puntas ( STM de múltiples puntas ) extiende la microscopía de efecto túnel de barrido (STM) desde la obtención de imágenes hasta mediciones eléctricas dedicadas a la nanoescala como un "multímetro a nanoescala". En la ciencia de los materiales, la nanociencia y la nanotecnología, es deseable medir las propiedades eléctricas en una posición particular de la muestra. Para este propósito, se han desarrollado STM de múltiples puntas en los que varias puntas funcionan de forma independiente. Además de obtener imágenes de la muestra, las puntas de un STM de múltiples puntas se utilizan para formar contactos con la muestra en las ubicaciones deseadas y para realizar mediciones eléctricas locales.
A medida que la microelectrónica evoluciona hacia la nanoelectrónica , es esencial realizar mediciones de transporte electrónico a nanoescala. El enfoque estándar es utilizar métodos litográficos para contactar nanoestructuras, como también se utiliza en el dispositivo nanoelectrónico final. Sin embargo, en las etapas de investigación y desarrollo, otros métodos para contactar dispositivos nanoelectrónicos o nanoestructuras en general pueden ser más adecuados. Un enfoque alternativo para contactar nanoestructuras utiliza las puntas de un microscopio de efecto túnel de barrido de múltiples puntas, en analogía con los cables de prueba de un multímetro utilizado a macroescala. Las ventajas de este enfoque son: (a) el contacto in situ de nanoestructuras "tal como crecieron" aún al vacío ayuda a mantener las delicadas nanoestructuras libres de contaminación inducida por los pasos de litografía realizados para el contacto. (b) El posicionamiento flexible de las puntas de contacto y las diferentes configuraciones de contacto son fáciles de realizar, mientras que los contactos litográficos son fijos. (c) El sondeo con puntas afiladas puede ser no invasivo (alto óhmico), mientras que los contactos litográficos son típicamente invasivos (bajo óhmico). [1] Para utilizar un microscopio de efecto túnel de barrido (STM) para realizar mediciones de transporte eléctrico en nanoestructuras o superficies, se requiere más de una punta. Esto motiva el uso de microscopios de efecto túnel de barrido de múltiples puntas que brindan acceso a las ventajas descritas anteriormente en el nanosondaje. Se pueden encontrar varios artículos de revisión sobre STM de múltiples puntas en la sección de lectura adicional a continuación.
Los microscopios de efecto túnel de barrido de múltiples puntas constan generalmente de cuatro unidades STM que colocan cada una de las puntas individualmente en la posición deseada sobre la muestra. Para reducir la deriva térmica de las puntas, las cuatro unidades STM deben ser lo más pequeñas y compactas posible. Es importante que el movimiento de las puntas se pueda observar, ya sea mediante un microscopio óptico o mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM). Esto permite acercar las puntas y colocarlas en las ubicaciones de medición deseadas. Las puntas de un STM de múltiples puntas generalmente se montan a 45° con respecto a la dirección vertical para facilitar el posicionamiento de todas las puntas en una región de la muestra.
Después de que se introdujo el primer STM de múltiples puntas, [2] se diseñaron varios instrumentos caseros y, hoy en día, también hay varios instrumentos comerciales disponibles.
Una extensión de la técnica de STM de múltiples puntas es la actualización a la operación de microscopía de fuerza atómica (AFM). Para aplicaciones en nanoelectrónica, la mayoría de las muestras consisten en áreas conductoras "objetivo" en la superficie, separadas por áreas no conductoras. Para guiar la punta hacia las áreas conductoras, la obtención de imágenes AFM en lugar de, o además de, el posicionamiento guiado por microscopio óptico o SEM de las puntas, puede ser muy útil. [3]
Al realizar mediciones eléctricas en la nanoescala, se debe enfatizar que la resistencia de contacto es a menudo muy grande en el contacto de la punta del STM con la muestra porque el área de contacto es muy pequeña, por lo que las mediciones de cuatro puntos son indispensables en las mediciones de resistencia con un STM de múltiples puntas. Esto es aún más importante en la medición de objetos a escala nanométrica, porque los contactos con estos objetos son inevitablemente a escala nanométrica. En una medición de resistencia de dos puntos, las dos puntas de inyección de corriente también se utilizan para la prueba de voltaje. Por lo tanto, la resistencia medida R = V/I también incluye la contribución de las dos resistencias de contacto R C . En una medición de cuatro puntos, el circuito de inyección de corriente está separado del circuito de detección de voltaje. Si la medición de voltaje se realiza con una gran resistencia interna R V , se puede descuidar la influencia de las resistencias de contacto. Esta es la principal ventaja de la medición de cuatro puntos.
Para realizar mediciones eléctricas con un STM de múltiples puntas se necesitan más de cuatro puntas y la capacidad de colocarlas como se requiera. Se deben realizar mediciones concertadas de corrientes y voltajes con las cuatro puntas. La electrónica permite operar cada punta como sonda de corriente (polarizada) o como sonda de voltaje. Se aplican diferentes rampas IV entre diferentes puntas (y/o la muestra). En el caso más simple, se inyecta una corriente entre las dos puntas externas y se mide una diferencia de potencial entre las puntas internas (medición clásica de cuatro puntos), también como función de la temperatura. [4] Sin embargo, también se pueden realizar varios tipos de otras mediciones, por ejemplo, se puede utilizar una punta o la muestra como electrodo de compuerta.
Se estudian las propiedades de transporte local de nanocintas de grafeno de 40 nm de ancho cultivadas sobre sustratos de carburo de silicio (SiC) mediante un STM de múltiples puntas. Las nanocintas de grafeno exhiben propiedades de transporte excepcionales, como conducción balística incluso a temperatura ambiente con recorridos libres medios de hasta varios μm. [5] Estas nanocintas de grafeno epitaxiales son importantes no solo en la ciencia fundamental, sino también porque se pueden producir fácilmente en miles en nanoelectrónica avanzada, que puede hacer uso de sus propiedades de transporte balístico a temperatura ambiente.
El STM de múltiples puntas se puede utilizar para el mapeo de resistencia a lo largo de nanocables de GaAs independientes con un diámetro de aproximadamente 100 nm. Los nanocables todavía están “tal como crecieron” en posición vertical y adheridos al sustrato, por lo que no es posible contactar nanocables mediante técnicas litográficas. En la configuración de medición que se muestra en la figura, la muestra se inclina 45° para facilitar la obtención óptima de imágenes SEM de los nanocables. Tres puntas puestas en contacto con un nanocable realizan una medición de resistencia de cuatro puntos (con la muestra como cuarto contacto). La punta 1 inyecta la corriente al nanocable con la muestra actuando como drenaje de corriente, mientras que las puntas 2 y 3 actúan como sondas de voltaje. Si bien es relativamente fácil estudiar la estructura de estos nanocables, por ejemplo, con microscopía electrónica de alta resolución , es difícil acceder a las propiedades eléctricas determinadas por el perfil de dopaje a lo largo del nanocable. A partir de la resistencia de cuatro puntos medida a lo largo del nanocable, se puede obtener un perfil de dopaje a lo largo del nanocable. [6] [7] [8]
Un método que proporciona información valiosa sobre las propiedades de transporte de carga de las nanoestructuras es la potenciometría de efecto túnel de barrido (STP). [9] La STP se puede realizar con un STM de múltiples puntas y permite mapear el paisaje de potencial mientras una corriente fluye a través de la película, nanoestructura o superficie en estudio. Los mapas de potenciometría brindan información sobre las propiedades de transporte fundamentales, como la influencia de los defectos en el transporte eléctrico local. La implementación se muestra en la figura, con las puntas externas inyectando una corriente en la nanoestructura o superficie que se está estudiando, mientras que la punta central mide simultáneamente la topografía y también registra el potencial eléctrico en cada punto de la imagen que es inducido por la corriente que fluye. De esta manera, se puede adquirir un mapa de potencial medido, por ejemplo, en una superficie de silicio, con una resolución de potencial de un par de μV. El mapa de potencial en la figura muestra que la mayor caída de potencial ocurre en los bordes del paso atómico. A partir de estos datos, se puede obtener la resistencia de un solo paso atómico o un límite de dominio. Además, si una corriente fluye alrededor de un defecto a nanoescala como, por ejemplo, En un vacío, se puede medir el mapa de potencial que se desarrolla debido a la corriente que fluye. [10]
A medida que los nanodispositivos se hacen cada vez más pequeños, la relación superficie/volumen (es decir, la fracción de átomos ubicados en la superficie) aumenta constantemente. La creciente importancia de la conductancia superficial en comparación con la conductancia a través del volumen en los dispositivos nanoelectrónicos modernos requiere una determinación confiable de la conductividad superficial para minimizar la influencia de corrientes de fuga no deseadas en el rendimiento del dispositivo o para usar superficies como unidades funcionales. Un sistema modelo para investigaciones correspondientes es la superficie Si(111)-7×7. El desafío es desenredar la contribución debida a la conductividad superficial de la conductividad del volumen. Usando STM de múltiples puntas, los investigadores desarrollaron un método que utiliza mediciones de cuatro sondas dependientes de la distancia en la configuración lineal para determinar la conductividad superficial. [4] [11] [12]
El STM de múltiples puntas se utiliza como método para la detección del voltaje de espín en aisladores topológicos mediante microscopía de efecto túnel de barrido de cuatro sondas polarizadas por espín en superficies de Bi 2 Te 2 Se. El potencial electroquímico dependiente del espín se separa de la contribución óhmica. Este componente se identifica como el potencial químico de espín que surge de la corriente de carga 2D a través de los estados de superficie topológicos bloqueados por momento de espín (TSS). El nuevo método utiliza una punta magnética para observar el comportamiento de espín de los electrones en la superficie del material. [13]