Principios de análisis instrumental

546 Capítulo 21 Caracterización de superficies por espectroscopia y microscopía «< a) b) e) FIGURA 21.22 Ejemplos representativos de microfotografías obtenidas con un microscopio de sonda de barrido. a) Dendritas de níquel sobre una lámina de cobre. Aumento X7463. Una dendrita es una estructura característica que asemeja un árbol, y que se forma a medida que un metal fundido se congela (©Stefan Diller/ Science Source.) b) Un arreglo de nueve microespejos que se usó para perfeccionar un espectrómetro digital de microespejos para espectroscopia atómica. Los espejos miden 16 X 16 ¡.¿m en centros de 17 ¡.¿m . Al quitar el espejo del centro se ven los componentes que están debajo. (Tomado de J. D. Batchelor y B. T. Jones, Anal. Chem., 1998, 70, p. 4907, DOI: 10.1021/ac980597p. Copyright 1998 American Chemical Society.) e) Imagen de E. co/i, una bacteria, capturada sobre la superficie del chip de un biosensor. Aumento X18 000 (Cortesía del laboratorio de Evangelyn Alcocilja, Michigan State University). sólido conductor. 28 En la actualidad, estos instrumentos se pueden adquirir con distintos fabricantes de instrumentos y se emplean en forma rutinaria en cientos de laboratorios esparcidos por todo el mundo. Su principal desventaja es el requisito de que la superficie a examinar debe conducir electricidad. El microscopio de fuerza ató– mica que se trata en la sección siguiente no presenta esta limitación. Principio de la microscopía de efecto túnel En la microscopía de efecto túnel, STM, la superficie de una mues– tra se escanea en un patrón o modelo de exploración mediante una punta metálica muy fina. Esta técn ica se basa en el principio de efecto túnel de la mecánica cuántica, que se produce cuando un pequeño voltaje de polarización (mV a 3 V) se aplica entre una punta aguda y una muestra conductora, mientras la punta está a unos pocos nanómetros de la superficie. La magnitud de la corriente de túnel J 1 se· expresa mediante (21.11) donde V es el potencial de polarización, Ces una constante y des la distancia entre la sonda y la superficie. La microscopía de efecto túnel se puede trabajar en dos modos. En el modo de altura cons– tante, la posición de la punta se mantiene constante en la direc– ción z mientras se controla la corriente de túnel J 1 • En el modo 28 G. Binnig, H. Roher, C. Gerber y E. Weibel, Phys. Rev. Lett., 1982, 49, p. 57, DO!: 10.1103/PhysREvLett.49.57. de corriente constante, la corriente de túnel J 1 se mantiene cons– tante mientras cambia la posición z de la punta para conservar d constante. En este caso, se controla la posición z de la punta. Los microscopios más modernos de barrido de efecto túnel trabajan en el modo de corriente constante. El movimiento hacia arriba y hacia abajo de la punta refleja entonces las características topo– gráficas de la superficie. La ecuación 21.11 revela que la corriente de túnel disminuye en forma exponencial en función de la separación entre la punta y la muestra. Esta disminución rápida de la corriente en función de la distancia, causa que la corriente de túnel sea significativa sólo para separaciones pequeñísimas entre la punta y la muestra, y es responsable de la alta resolución alcanzada en la dirección z. Exploradores para la muestra En los primeros microscopios de barrido de efecto túnel, el movimiento tridimensional de la punta era controlado por tres FIGURA 21.23 a) Vista esquemática de la punta del microscopio de efecto túnel al explorar una muestra en la dirección x. La línea azul representa la trayectoria de la punta sobre los átomos de carbono que aparecen representados como círculos regulares. b) Mapa de curvas de nivel de la superficie de la muestra. (Algunas figuras no aparecen en la obra por restricción de derechos y so n muy importantes en el desarrollo del capítulo. Para consultar el diagrama de la fuente ori– ginaldebe referirse a P. K. Hansma et al., Science, 1988, 242, p. 209, DOI: 10.1126/science.3051380.)