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Articulo de referencia

Microscopía de efecto túnel de múltiples puntas

Imagen esquemática de una medición STM con múltiples puntas, donde la punta roja y la verde inyectan y drenan una corriente lateral en la muestra bajo estudio. La punta amarilla...

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Imagen esquemática de una medición STM con múltiples puntas, donde la punta roja y la verde inyectan y drenan una corriente lateral en la muestra bajo estudio. La punta amarilla y la verde izquierda miden los voltajes en sus respectivas posiciones, los cuales se acumulan debido a la corriente inyectada.

La microscopía de efecto túnel de múltiples puntas ( STM de múltiples puntas ) extiende la microscopía de efecto túnel (STM) de la obtención de imágenes a mediciones eléctricas específicas a nanoescala, funcionando como un "multímetro a nanoescala". En ciencia de materiales , nanociencia y nanotecnología, es deseable medir las propiedades eléctricas en una posición específica de la muestra. Para ello, se han desarrollado microscopios STM de múltiples puntas, en los que varias puntas operan de forma independiente. Además de obtener imágenes de la muestra, las puntas de un microscopio STM de múltiples puntas se utilizan para establecer contactos con la muestra en las ubicaciones deseadas y realizar mediciones eléctricas locales.

Introducción

A medida que la microelectrónica evoluciona hacia la nanoelectrónica , es esencial realizar mediciones de transporte electrónico a nanoescala. El método estándar consiste en utilizar métodos litográficos para contactar nanoestructuras, tal como se emplea 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 método alternativo para contactar nanoestructuras utiliza las puntas de un microscopio de efecto túnel de barrido de múltiples puntas, de forma análoga a los cables de prueba de un multímetro utilizado a macroescala. Las ventajas de este método son: (a) el contacto in situ de nanoestructuras "tal como se cultivan" aún bajo vacío ayuda a mantener las delicadas nanoestructuras libres de la 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 lograr, mientras que los contactos litográficos son fijos. (c) La exploración con puntas afiladas puede ser no invasiva (alta resistencia óhmica), mientras que los contactos litográficos suelen ser invasivos (baja resistencia óhmica). [ 1 ] Para utilizar un microscopio de efecto túnel (STM) en mediciones de transporte eléctrico en nanoestructuras o superficies, se requiere más de una punta. Esto justifica el uso de microscopios de efecto túnel multipunta, que ofrecen las ventajas mencionadas anteriormente en el análisis a nanoescala. En la sección de lecturas recomendadas que se encuentra a continuación , se incluyen varios artículos de revisión sobre STM multipunta .

Microscopio de efecto túnel de cuatro puntas, con las cuatro puntas apuntando hacia arriba en el centro. El diámetro del instrumento es de 50 mm.

Principio de funcionamiento

Los microscopios de efecto túnel de múltiples puntas suelen constar de cuatro unidades STM, cada una con sus puntas posicionadas individualmente en la zona deseada de 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 pueda observarse, ya sea mediante un microscopio óptico o un microscopio electrónico de barrido (SEM). Esto permite acercar las puntas y posicionarlas en las zonas de medición deseadas. En un microscopio STM de múltiples puntas, las puntas suelen montarse a 45° con respecto a la vertical para facilitar su posicionamiento en una misma zona de la muestra.

Después de que se introdujo el primer STM de múltiples puntas, [ 2 ] se diseñaron varios instrumentos de fabricación casera y hoy en día también hay disponibles varios instrumentos comerciales.

Una extensión de la técnica STM de múltiples puntas es la actualización a la 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 mediante AFM, en lugar de, o además de, el posicionamiento guiado por microscopio óptico o SEM de las puntas, puede ser muy útil. [ 3 ]

En una medición de dos puntos, se mide la suma de la resistencia de la muestra y la resistencia de los contactos. En una medición de cuatro puntos, se mide la resistencia de la muestra sin tener en cuenta la resistencia de los contactos.

Al realizar mediciones eléctricas a nanoescala, es importante destacar que la resistencia de contacto suele ser muy alta en la punta del STM que se une a la muestra, debido a la pequeña área de contacto. Por ello, las mediciones de cuatro puntos son indispensables en las mediciones de resistencia con un STM multipunta. Esto cobra aún mayor importancia al medir objetos a nanoescala, ya que los contactos con estos objetos son inevitablemente de esta escala. En una medición de resistencia de dos puntos, las dos puntas de inyección de corriente también se utilizan para la medición de voltaje. Por lo tanto, la resistencia medida R = V/I 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 resistencia interna R V grande , la influencia de las resistencias de contacto puede despreciarse. Esta es la principal ventaja de la medición de cuatro puntos.

Esquema de mediciones eléctricas realizadas con un microscopio de efecto túnel multipunta. Cada punta puede configurarse como sonda de corriente o como sonda de voltaje. El ejemplo más sencillo de una medición eléctrica es una medición clásica de resistencia de cuatro puntas.

Realizar mediciones eléctricas con un STM de múltiples puntas requiere más de cuatro puntas y la capacidad de posicionarlas según sea necesario. 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 I-V entre diferentes puntas (y/o la muestra). En el caso más simple, se inyecta una corriente entre las dos puntas exteriores y se mide una diferencia de potencial entre las puntas interiores (medición clásica de cuatro puntas), también en función de la temperatura. [ 4 ] Sin embargo, también se pueden realizar varios tipos de otras mediciones, por ejemplo, una punta o la muestra se puede usar como electrodo de puerta.

Aplicaciones de la microscopía de efecto túnel multipunta

Nanocintas de grafeno y nanoestructuras de grafeno

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 microscopio de efecto túnel de múltiples puntas (STM). 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 pueden producirse fácilmente en miles en nanoelectrónica avanzada, que puede aprovechar sus propiedades de transporte balístico a temperatura ambiente.

Imagen SEM de cuatro sondas en contacto con una nanocinta de grafeno.

Perfilado de resistencia a lo largo de nanocables de GaAs independientes

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 se encuentran en posición vertical y adheridos al sustrato, tal como se cultivaron, por lo que no es posible contactarlos mediante técnicas litográficas. En la configuración de medición mostrada en la figura, la muestra se inclina 45° para facilitar la obtención de imágenes SEM óptimas de los nanocables. Tres puntas en contacto con un nanocable permiten realizar una medición de resistencia de cuatro puntos (con la muestra como cuarto contacto). La punta 1 inyecta la corriente al nanocable, actuando la muestra 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 mismo. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

Potenciometría multipunta

Un método que proporciona información valiosa sobre las propiedades de transporte de carga de las nanoestructuras es la potenciometría de 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 proporcionan información sobre 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 exteriores 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 de los escalones atómicos. A partir de estos datos, se puede obtener la resistencia de un solo escalón 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 ]

Separando la conductividad superficial de la conductividad volumétrica

La medición de la resistencia de cuatro puntas en función de la distancia en una muestra de Si(111)-7×7 permite separar la conductividad superficial de la conductividad volumétrica.

A medida que los nanodispositivos se vuelven 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 exige una determinación fiable de la conductividad superficial para minimizar la influencia de las corrientes de fuga no deseadas en el rendimiento del dispositivo o para utilizar las superficies como unidades funcionales. Un sistema modelo para las investigaciones correspondientes es la superficie Si(111)-7×7. El desafío consiste en separar la contribución debida a la conductividad superficial de la conductividad volumétrica. Utilizando STM de múltiples puntas, los investigadores desarrollaron un método que utiliza mediciones de cuatro puntas dependientes de la distancia en la configuración lineal para determinar la conductividad superficial. [ 4 ] [ 11 ] [ 12 ]

Corriente de espín en materiales cuánticos

El voltaje de espín es generado por la corriente de espín del electrón. (Crédito: Saban Hus y An-Ping Li/Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.).

La microscopía de efecto túnel de cuatro puntas (STM) se utiliza para la detección del potencial de espín en aislantes topológicos mediante microscopía de efecto túnel de cuatro puntas con polarización de espín en superficies de Bi₂Te₂Se . 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 bidimensional a través de los estados superficiales topológicos (TSS) con momento de espín bloqueado . El nuevo método utiliza una punta magnética para observar el comportamiento de espín de los electrones en la superficie del material. [ 13 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Voigtländer, B; Cherepanov, V; Korte, S; Leis, A; Cuma, D; Just, S y Lüpke, F (2018). "Artículo de revisión invitado: Microscopía de efecto túnel de barrido de múltiples puntas: Técnicas experimentales y análisis de datos" . Review of Scientific Instruments . 89 (10): 101101. doi : 10.1063/1.5042346 . PMID 30399776 . 
  2. ↑ Shiraki, I; Tanabe, F; Hobara, R; Nagao, T y Hasegawa, S (2001). "Sondas de cuatro puntas accionadas independientemente para mediciones de conductividad en ultra alto vacío". Surf. Sci . 493 ( 1– 3): 633– 643. doi : 10.1016/S0039-6028(01)01276-6 .
  3. ↑ Higuchi, S; Kubo, O; Kuramochi, H; Aono, M y Nakayama, T (2011). "Un microscopio de fuerza de sonda de escaneo cuádruple para mediciones de propiedades eléctricas de materiales microscópicos". Nanotechnology . 22 (28) 285205. doi : 10.1088/0957-4484/22/28/285205 . PMID 21659691 . 
  4. 1 2 Gerasimenko, Y; Vaskivskyi, yo; Liskevich, M; Ravnik, J; Vodeb, J; Diego, M; Kabanov, V y Mihailovic, D (2019). "Transición de interferencia cuántica a un vidrio electrónico correlacionado en 1T-TaS2". Materiales de la naturaleza . 317 : 505. arXiv : 1803.00255 . doi : 10.1038/s41563-019-0423-3 .
  5. ↑ Baringhaus, J; Ruan, M; Edler, F; Tejeda, A; Sicot, M; Taleb-Ibrahimi, A; Li, AP; Jiang, Z; Conrad, EH; Berger, C; Tegenkamp, ​​C y de Heer, WA (2014). "Transporte balístico excepcional en nanocintas de grafeno epitaxiales". Nature . 506 ( 7488): 349– 354. arXiv : 1301.5354 . doi : 10.1038/nature12952 . PMID 24499819. S2CID 4445858 .  
  6. ↑ Korte, S; Steidl, M; Prost, W; Cherepanov, V; Voigtländer, B; Zhao, W; Kleinschmidt, P y Hannappel, T (2013). "Resistencia y perfiles dopantes a lo largo de nanocables independientes de GaAs". Letras de Física Aplicada . 103 (14): 143104. doi : 10.1063/1.4823547 .
  7. ↑ Nägelein, A; Liborius, L; Steidl, M; Blumberg, C; Kleinschmidt, P; Poloczek, A y Hannappel, T (2017). "Análisis comparativo del perfil de resistencia a lo largo de nanocables semiconductores cónicos: técnica de múltiples puntas frente al método de línea de transmisión". Journal of Physics: Condensed Matter . 29 (39): 394007. doi : 10.1088/1361-648X/aa801e . PMID 28714857 . 
  8. ↑ Nägelein, A; Steidl, M; Korte, S; Voigtländer, B; Prost, W; Kleinschmidt, P y Hannappel, T (2018). "Investigación del agotamiento de los portadores de carga en nanocables independientes mediante un microscopio de efecto túnel de barrido con múltiples sondas". Nanoinvestigación . 11 (11): 5924– 5934. doi : 10.1007/s12274-018-2105-x . S2CID 139202364 . 
  9. ↑ Lüpke, F; Korte, S; Cherepanov, V y Voigtländer, B (2015). "Potenciometría de efecto túnel de barrido implementada en una configuración de múltiples puntas mediante software" . Review of Scientific Instruments . 86 (12): 123701. arXiv : 1508.07717 . doi : 10.1063/1.4936079 . PMID 26724036. S2CID 2239279 .  
  10. ↑ Lüpke, F; Eschbach, M; Heider, T; Lanio, M; Schüffelgen, P; Rosenbach, D; von den Driesch, N; Cherepanov, V; Mussler, G; Plucinski, L; Grützmacher, D; Schneider, CM y Voigtländer, B (2017). "Resistencia eléctrica de defectos individuales en una superficie aislante topológica" . Comunicaciones de la naturaleza . 8 15704. arXiv : 1704.06580 . doi : 10.1038/ncomms15704 . PMC 5472778 . PMID 28604672 .  
  11. ↑ Just, S; Blab, M; Korte, S; Cherepanov, V; Soltner, H y Voigtländer, B (2015). "Conductividades superficiales y escalonadas en superficies de Si(111)" . Physical Review Letters . 115 (6) 066801. arXiv : 1505.01288 . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.066801 . PMID 26296126 . 
  12. ↑ Just, S; Soltner, H; Korte, S; Cherepanov, V y Voigtländer, B (2017). "Conductividad superficial de superficies de Si(100) y Ge(100) determinada a partir de mediciones de transporte de cuatro puntos utilizando un modelo analítico de conductancia de capa N". Physical Review B . 95 (7) 075310. arXiv : 1610.02239 . doi : 10.1103/PhysRevB.95.075310 . S2CID 118383531 . 
  13. ↑ Hus, SM; Zhang, XG; Nguyen, GD; Ko, W; Baddorf, AP; Chen, YP y Li, AP (2017). "Detección del potencial espín-químico en aislantes topológicos mediante STM de cuatro puntas polarizado por espín" . Physical Review Letters . 119 (13) 137202. doi : 10.1103/PhysRevLett.119.137202 . PMID 29341679 . 

Lecturas adicionales

  • Hofmann, P y Wells, JW (2009). "Mediciones de conductancia sensibles a la superficie". J. Phys. Condens. Matter . 21 (1) 013003. doi : 10.1088/0953-8984/21/1/013003 . PMID 21817212 . 
  • Nakayama, T; Kubo, O; Shingaya, Y; Higuchi, S; Hasegawa, T; Jiang, C; Okuda, T; Kuwahara, Y; Takami, K y Aono, M (2012). "Desarrollo y aplicación de microscopios de sonda de barrido de múltiples sondas". Adv. Materia . 24 (13): 1675–1692 . doi : 10.1002/adma.201200257 . PMID 22378596 . 
  • Li, AP; Clark, KW; Zhang, X y Baddorf, AP (2013). "Transporte de electrones a escala nanométrica revelado espacialmente mediante microscopía de efecto túnel de cuatro puntas". Adv. Funct. Mater . 23 (20): 2509– 2524. doi : 10.1002/adfm.201203423 .
  • Xu, T. y Grandidier, B. (2015). Caracterización eléctrica de nanocables semiconductores mediante microscopía de sonda de barrido, en: Nanocables semiconductores: materiales, síntesis, caracterización y aplicaciones, editado por J. Arbiol y Q. Xiong, Elsevier . pág.  277. ISBN 978-1-78242-253-2.
  • Nakayama, T; Shingaya, Y y Aono, M (2016). "Microscopios de sonda de barrido de múltiples puntas para la ciencia de materiales nanoarquitectónicos" . Jpn. J. Appl. Phys . 55 (11) 1102A7. doi : 10.7567/JJAP.55.1102A7 .