G1R3_STM

Prévia do material em texto

1 
 
Microscopia de Varredura por Tunelamento (STM) 
 
Henrique Brolezi Nunciaroni (155715) e Vinicius Colombo de Oliveira (118904) 
 
Henrique.bn@outlook.com e colombo.vinicius@gmail.com 
Instituto de Física “Gleb Wataghin” – UNICAMP 
 
17 de Novembro de 2017 
Resumo 
Neste experimento utilizamos um microscópio de varredura por tunelamento onde foi possível obter a 
topografia de uma amostra de ouro e grafite. Procuramos entender todo o funcionamento do 
microscópio e o fenômeno por trás, tunelamento de elétrons por uma diferença de potencial aplicada 
entre duas superfícies (eletrodos). Encontramos a distância interatômica para os carbonos da superfície 
do grafite - 0,141 nm - e pudemos ver sua geometria hexagonal. 
 
 
I Introdução 
A microscopia de varredura por tunelamento, 
conhecida como STM, do inglês “scanning tunneling 
microscopy”, tem como ideia original fazer 
espectroscopia em áreas de diâmetros próximas a 
 . Assim ao invés de usar uma ponta em contato 
mecânico sobre uma superfície a técnica é baseada 
em usar uma ponta a alguns Ångstrӧms ( ) da 
superfície da amostra e controlar tal distância por 
uma corrente de túnel que flui entra ponta e amostra 
devido à diferença de potencial entre elas. O 
desenvolvimento do microscópio de varredura por 
tunelamento feito por Gerd Binnig e Heinrich 
Rohrer (IBM Zürich) em 1981 fez com que seus 
idealizadores recebessem o Prêmio Nobel de Física 
em 1986. 
Figura 1: O princípio do STM. A corrente flui entre ponta 
e amostra através de canais estreitos de maneira que a 
melhor resolução de dimensões atômicas da superfície é 
obtida quando a ponta apresenta apenas um átomo do 
material. Adaptada de [1]. 
O tunelamento de elétrons oferece 
possibilidades fascinantes e desafiadoras na física de 
superfícies e em muitas outras áreas. Neste 
experimento concentramos nossos esforços em 
observar a topografia da superfície de alguns 
materiais condutores em escala atômica. O fenômeno 
ocorre entre dois condutores separados por uma 
camada isolante suficientemente fina ou, em termos 
físicos, barreira de potencial. A corrente de 
tunelamento é uma medida das funções de onda dos 
dois eletrodos (ponta e amostra), portanto é uma 
função da separação de eletrodos e da natureza dos 
mailto:Henrique.bn@outlook.com
mailto:colombo.vinicius@gmail.com
https://pt.wikipedia.org/wiki/Gerd_Binnig
https://pt.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Rohrer
https://pt.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Rohrer
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
Grupo 1 (azul) ● F 740 – B ● Prof. R. Urbano 
 
2 
 
estados eletrônicos envolvida no processo. A junção 
consiste em um sanduíche de condutor-isolante-
condutor plano em que o isolante é geralmente uma 
camada de óxido, formada por oxidação de um dos 
eletrodos. Para elétrons livres que atravessam uma 
barreira plana em pequenas tensões, a densidade de 
corrente J pode ser escrita como: 
 (
 
 
) (
 
 
) ( ) (1) 
Onde s é a distância eficaz do túnel em 
Ångstrӧms, é o comprimento de decaimento 
inverso da densidade da função de onda fora da 
superfície, V a tensão aplicada em volts, e (
 
 
) 
 ; é dado pela expressão ( ) 
√ ( ) em que é a altura (valor) da barreira de 
potencial entre os eletrodos; ela é dada por 
[ ( ) ]. 
 
Figura 2: Barreiras de potencial dos eletrodos e 
diferença de potencia V entre as amostras para que haja 
densidade de corrente j. Adaptada de [4]. 
II Detalhes Experimentais 
Nosso experimento consiste em varrer uma superfície 
com uma ponta de metal de modo a observar a 
topografia do material, porém nossa ponta mantém 
uma distância regulada por uma corrente elétrica de 
tunelamento, sendo assim a ponta não encosta no 
material analisado. Faremos a varredura na superfície 
de alguns materiais nas direções PX e PY como na 
figura3. 
A corrente túnel JT entre a ponta e o material deve 
permanecer constante, sendo assim aplica-se uma 
diferença de potencial V, fazendo com que a distância 
s também permaneça sem alterações. Com isso a 
superfície da amostra se estabelece fixa enquanto o 
motor onde a ponta está presa regula sempre o 
movimento na direção PZ de modo manter a distância 
s (devido às imperfeições da superfície da amostra – 
picos e vales) e fazer a varredura nos eixos PX e PY. 
 
Figura 3: Princípio de funcionamento do STM onde 
podemos observar as direções em que a varredura é feita 
(PX e PY) pela ponta sobre a amostra e também a 
corrente elétrica estabelecida JT devido a diferença de 
potencial V aplicada para que a distância s permaneça 
constante. Adaptada de [2]. 
O ideal seria termos uma ponta com apenas um 
átomo, porém isso se torna inviável uma vez que a 
produção da ponta necessitaria de recursos muito 
mais sofisticados. Nossa ponta foi feita de Pt/Ir de 
0,25mm de diâmetro com 1 cm de comprimento, 
onde cortamos o fio de maneira mais precisa possível 
de modo a conseguir a menor espessura final na 
ponta. Para a realização das medidas não foi utilizado 
o microscópio em vácuo, porém se o tivéssemos as 
medidas poderiam ser mais satisfatórias uma vez que 
a umidade do ar interfere em nossas medidas. 
Tivemos muito cuidado com ruídos eletromagnéticos 
e oscilações mecânicas na plataforma onde foi 
colocado o equipamento do STM. Na figura 4 
podemos ver o microscópio de varredura por 
tunelamento. 
 
 
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
Grupo 1 (azul) ● F 740 – B ● Prof. R. Urbano 
 
3 
 
 
Figura 4: Microscópio de varredura por tunelamento 
modelo easyScan 2 STM, versão 1.3 utilizado na 
realização das medidas [3]. 
Entendemos o software utilizado no equipamento 
através do manual [5] onde compreendemos como 
seriam feitas as medidas. Depois de colocada a ponta 
como na figura 5 e encaixado a amostra no local 
adequado, a olho aproximamos o máximo possível 
sem tocar a agulha na amostra e feito isso colocamos 
a opção aproximando para que o próprio motor 
aproxime agulha da amostra até que a corrente de 
tunelamento de 1nA fosse estabelecida a uma 
distância ponta-amostra na casa de alguns Ångstrӧms. 
Fizemos essa aproximação com as instruções 
fornecidas pela literatura [5]. 
 
Figura 5: Agulha colocada e amostra presa sobre um 
pequeno cilindro que com o motor será aproximado até 
que se estabeleça a corrente de tunelamento escolhida. 
Adaptada de [5]. 
III Resultados, Análise de Dados e 
Discussões 
Em nossa primeira medida analisamos uma amostra 
de ouro estabelecendo corrente de tunelamento 1nA 
e diferença de potencial de 0,5V com o passo do 
motor em 0,3 segundos por linha. Foi varrida uma 
área de 200 x 200 nm para observarmos a topografia 
da superfície do ouro, como segue a figura abaixo. 
Figura 6: Imagem da superfície de uma amostra de ouro 
com área de varredura 200 x 200 nm. Podemos ver as 
imperfeições da amostra, porém nada muito claro. 
Afim de obter uma imagem mais detalhada da 
superfície da amostra, fizemos a varredura em uma 
área de 75 x 75 nm, como é apresentado na figura 7. 
Figura 7: Imagem da superfície de uma amostra de ouro 
com área de varredura 75 x 75 nm. Podemos ver 
claramente as imperfeições da amostra, vales e picos. 
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
Grupo 1 (azul) ● F 740 – B ● Prof. R. Urbano 
 
4 
 
Após vermos uma superfície bem aproximada da 
teoria [5], fizemosuma varredura em uma área menor 
ainda, como dimensões 9 x 9 nm. 
Figura 8: Imagem da superfície de uma amostra de ouro 
com área de varredura 9 x 9 nm. 
Foram realizadas diversas vezes novas 
medidas para tentarmos obter uma figura melhor com 
as dimensões como a da figura 8, porém a melhor 
imagem capturada é a analisada aqui, onde no canto 
superior esquerdo podemos ver a topografia como a 
da literatura [5], porém no resto da figura não 
obtivemos sucesso em observar o que esperávamos. 
Em seguida trocamos a amostra de ouro por uma de 
grafite onde esperávamos encontrar uma topografia 
próxima do que seriam a organização atômica do 
material, os átomos de carbono. A figura a seguir foi 
nossa primeira medida onde não tivemos sucesso em 
observar a organização atômica do material. Vale 
ressaltar que para as medidas do grafite foi 
estabelecida uma nova voltagem menor, de 0,05V 
entre amostra e ponta e assim uma nova distancia foi 
estabelecida a fim de manter a corrente de 1nA de 
tunelamento. 
 
Figura 8: Imagem da superfície de uma amostra de 
grafite com área de varredura 8 x 8 nm. 
Foram realizadas diversas novas medidas para 
o grafite também, porém todas muito parecidas com 
a figura 8. Acreditamos que as medidas não foram 
satisfatórias devido a imperfeições das superfícies das 
amostras e da ponta. Um agravante foi também que 
em determinado momento pareceu que a ponta 
chegou a tocar a amostra, isto muda todo cenário, 
pois a ponta pode não estar mais em boa qualidade. 
Sendo assim foram feitas a troca da ponta e das 
amostras e com a parceria dos colegas de laboratório 
Lucas de Oliveira Lopes e Rodrigo Cardoso Leon 
conseguimos uma nova medida do grafite, colocando 
os mesmos parâmetros anteriores, figura 9. 
Vale ressaltar que todas as medidas foram 
supervisionadas pelo Professor Doutor Ricardo 
Rodrigues Urbano, que nos auxiliou e colocou mais 
que o tempo disponível em aula para nos ajudar. 
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
Grupo 1 (azul) ● F 740 – B ● Prof. R. Urbano 
 
5 
 
Figura 9: Imagem da superfície de uma amostra de 
grafite com área de varredura 2,5 x 2,5 nm. 
Observa-se que na figura 9 conseguimos obter 
o padrão esperado para a superfície do grafite, 
podendo observar a organização atômica do material. 
Na figura 10 observamos as distâncias interatômicas e 
feita uma média entre elas pudemos obter um valor 
de 0,141 nm, que é bem próximo do valor esperado 
pela literatura [5], 0,140 nm. Na próxima figura 
podemos observar as linhas de onde conseguimos 
estimar as distâncias inter atômicas. 
Figura 10: Imagem da superfície de uma amostra de 
grafite com área de varredura 2,5 x 2,5 nm marcada com 
as distâncias interatômicas – 15 distâncias estimadas. 
IV Conclusões 
Neste experimento foi interessante compreender 
como funciona, de forma prática, o tunelamento 
quântico uma vez que nunca tínhamos feito ou visto 
nada do tipo. Em essência o experimento não é 
trabalhoso, porém é demorada sua calibragem e 
precisamos de boas amostras e ótima ponta para 
observar algo. 
Nosso objetivo era ver algo parecido com a figura 11, 
que segue adiante, para a amostra de ouro. 
 
Figura 11: Imagem esperada da superfície de uma 
amostra de ouro com área de varredura 215 x 215 nm. 
Adaptada de [5]. 
Comparado com a figura 7, conseguimos algo bem 
próximo. A dificuldade de se obter uma imagem 
melhor e com uma resolução menor esta ligada ao 
fato de que os elétrons estão distribuídos muito mais 
homogeneamente na superfície, diferentemente da 
superfície do grafite, onde tínhamos por objetivo 
encontrar algo como a figura 12. 
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
Grupo 1 (azul) ● F 740 – B ● Prof. R. Urbano 
 
6 
 
 
Figura 12: Imagem esperada da superfície de uma 
amostra de grafite com área de varredura 4,37 x 
4,37nm. Adaptada de [5]. 
Depois de diversas tentativas conseguimos, em 
parceria com os colegas do laboratório, uma boa 
medida que se aproxima da figura 12. Nossa medida, 
figura 9, mostra a estrutura dos carbonos na 
superfície do grafite. Não conseguimos algo 
exatamente como o esperado devido a 
contaminações na superfície da amostra e a ponta 
utilizada ter sido danificada em algum ponto da 
medida (encostada na amostra). 
Conseguimos uma ótima distancia interatômica em 
nossa medida, 0,141 nm. Muito próxima da literatura, 
0,140 nm. Também pudemos conhecer mais sobre a 
corrente de tunelamento e o microscópio de 
varredura por tunelamento. 
REFERÊNCIAS 
[1] Binnig, Gerd, and Heinrich Rohrer. "Scanning 
tunneling microscopy—from birth to 
adolescence." reviews of modern physics 59.3 (1987): 
615. 
 
[2] Binnig, Gerd, and Heinrich Rohrer. "Scanning 
tunneling microscopy." Surface science 126.1-3 
(1983): 236-244. 
 
[3]http://ase.tufts.edu/chemistry/sykes/The%20Lab/e
zstm.html 
[4] Binnig, Gerd, and Heinrich Rohrer. "Scanning 
tunneling microscopy." IBM Journal of research and 
development 44.1/2 (2000): 279. 
[5] Manual de instruções nanoSurf “Operating 
Instructions – easyScan 2 STM version 1.3” 
 
http://ase.tufts.edu/chemistry/sykes/The%20Lab/ezstm.html
http://ase.tufts.edu/chemistry/sykes/The%20Lab/ezstm.html
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen
pdf-notes
Pen