Microscopio a effetto tunnel: differenze tra le versioni

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[[File:Atomic resolution Au100.JPG|thumb|Immagine di ricostruzione su una superficie di [[oro]][[indice di Miller|(100)]] puro.]]

[[File:Selfassembly Organic Semiconductor Trixler LMU.jpg|thumb|Immagine STM di catene [[chimica supramolecolare|supramolecolari]] [[auto-assemblaggio|auto-assemblate]] del [[semiconduttore organico]] [[quinacridone]] su [[grafite]].]]

Il '''microscopio a effetto tunnel''' (STM, dall'inglese '''''Scanning Tunneling Microscope''''') è un potente[[Microscopia strumentoa scansione di sonda|microscopio a scansione di sonda]] per lo studio delle [[Superficie (fisica)|superfici]] a livello atomico. Il suo sviluppo nel 1981 fruttò ai suoi inventori, [[Gerd Binnig]] e [[Heinrich Rohrer]], entrambi impiegati (all'[[IBM]] di Zurigo), il [[Premio Nobel per la Fisica]] nel 1986.<ref name="Binnig">{{cita pubblicazione| autore = G. Binnig| coautore = H. Rohrer| titolo = Scanning tunneling microscopy| url = https://archive.org/details/sim_ibm-journal-of-research-and-development_1986-01_30_1/page/4| rivista = IBM Journal of Research and Development| volume = 30|p=4| anno = 1986| lingua = en}}</ref><ref>{{cita web| url = https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/press.html| titolo = Press release for the 1986 Nobel Prize in physics| accesso=28 marzo 2010| lingua = en| data=15 ottobre 1986| anno = 1986| mese = ottobre}}</ref> Per un STM è considerata buona una risoluzione laterale di 1 [[Ångström|Å]] (0,1&nbsp;nm) e una risoluzione in profondità di 0,1 Å (0,01&nbsp;nm).<ref name="Bai">{{cita libro| autore = Chunli Bai| titolo = Scanning tunneling microscopy and its applications| editore = Springer Verlag| città = New York| anno = 2000| url = http://books.google.com/books?id=3Q08jRmmtrkC&pg=PA345| isbn = 3-540-65715-0| accesso=28 marzo 2010| lingua = en}}</ref> Con questa risoluzione, i singoli atomi possono essere osservati e manipolati. L'STM può essere utilizzato non solo in condizioni particolari come l'[[ultra alto vuoto]], ma anche nell'aria, nell'acqua e in vari altri liquidi o gas ambienti e a temperature che variano da quasi [[zero assoluto|zero kelvin]] a poche centinaia di gradi Celsius.<ref name="Chen">{{cita libro|autore = C. Julian Chen|titolo = Introduction to Scanning Tunneling Microscopy|anno = 1993|url = http://www.columbia.edu/~jcc2161/documents/stm_R.pdf|formato = PDF|isbn = 0-19-507150-6|editore = Oxford University Press|accesso = 28 marzo 2010|lingua = en|urlmorto = sì|urlarchivio = https://web.archive.org/web/20100624205213/http://www.columbia.edu/~jcc2161/documents/stm_R.pdf}}</ref>

L'STM si basa sull'[[effetto tunnel]]. QuandoGrazie a questo, quando una punta conduttrice è portata molto vicino alla superficie da esaminare, una [[differenza di potenziale]] applicata tra i due può permetterepermette agli elettroni di attraversare il vuoto tra di loro per effetto tunnel. La "corrente di ''tunnelling''" che ne risulta dipende dalla posizione della punta, della tensione applicata e della [[densità locale degli stati]] (LDOS, ''Local Density Of States'') del campione.<ref name="Chen">{{cita libro|lingua=en|autore=C. Julian Chen|titolo=Introduction to Scanning Tunneling Microscopy|url=http://www.columbia.edu/~jcc2161/documents/stm_R.pdf|formato=PDF|accesso=28 marzo 2010|anno=1993|editore=Oxford University Press|isbn=0-19-507150-6|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20100624205213/http://www.columbia.edu/~jcc2161/documents/stm_R.pdf}}</ref> Misurando la corrente nei diversi punti della superficie del campione si ottengono le immagini topografiche, oltre ad altre informazioni.

MisurandoL'STM laè correntesolitamente neiutilizzato diversiin punticondizioni delladi superficie[[ultra delalto campionevuoto]], sima ottengonopuò immaginianche topograficheessere usato in aria, acqua e altrein informazionivari altri liquidi o gas ambientali. L'STMPuó puòinoltre essere usato a temperature che variano da quasi [[zero assoluto|zero kelvin]] a poche centinaia di gradi Celsius.<ref name="Chen" /> Può essere una tecnica impegnativa, in quanto richiede superfici estremamente stabili e pulite, punte acuminate (idealmente con un apice composto da un solo atomo), ottimo [[isolamento della vibrazione|controllo delle vibrazioni]] e un'elettronica sofisticata.

== Procedura ==

[[File:Stmsample.jpg|thumb|Un'immagine ravvicinata di un semplice microscopio a scansione a effetto tunnel che utilizza una punta di platino-iridio.]]

In primo luogo, è applicata una polarizzazione di tensione e la punta viene portata in prossimità del campione con controlli meccanici grossolani (''coarse)'', che vengono disattivati quando la punta e il campione sono sufficientemente vicini. A distanza ravvicinata si usano di solito dei sistemi [[piezoelettricità|piezoelettrici]] per il controllo della posizione nelle tre dimensioni, e si mantiene la separazione punta-campione ''W'' intorno a 4-7 [[Ångström|Å]], ovvero in posizione di equilibrio tra forze attrattive (3 Å < W < 10 Å) e repulsive (W < 3 Å)<ref name="Chen"/>. In questa situazione, la tensione di polarizzazione causerà il transito di elettroni per [[effetto tunnel]] tra la punta e il campione, creando una corrente che può essere misurata. Una volta che viene stabilito il ''tunnelling'', la polarizzazione e la posizione della punta rispetto al campione possono essere variati (con i dettagli di questa variazione dipendenti dall'esperimento in corso), e si registrano i dati ottenuti dalle variazioni della corrente.

Si possono usare due modalità per ottenere questo risultato. Nella modalità ad altezza costante, si mappa direttamente la variazione di corrente; nella modalità a corrente costante, l'altezza viene modificata dai piezoelettrici per mantenere costante il valore di corrente, con il controllo un sistema elettronico di [[retroazione]], e si realizza una mappa delle variazioni di altezza.<ref name="Chen"/><ref name="Oura">{{cita libro| autore = K. Oura| coautori = V. G. Lifshits; A. A. Saranin; A. V. Zotov; M. Katayama| titolo = Surface science: an introduction| editore = Springer-Verlag| città = Berlino| anno = 2003| url = http://books.google.com/books?id=TTPMbOGqF-YC&pg=PP1| isbn = 3-540-00545-5| accesso=28 marzo 2010| lingua = en}}</ref>

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[[File:Cens nanomanipulation3d Trixler.jpg|thumb|Nanomanipolazione per mezzo del STM di un [[monostrato auto-assemblato]] di un [[semiconduttore organico]] (molecole di PTCDA) su [[grafite]], con cui è stato scritto il logo del [[Center for NanoScience]] (CeNS), [[Università Ludwig Maximilian|LMU]].]]

Molte altre tecniche di microscopia sono state sviluppate sulla base dell'STM. Queste comprendono la [[microscopia a scansione di fotoni]] (pStm) che utilizza una punta ottica per il [[effetto tunnel|tunnelling]] di [[Fotone|fotoni]];<ref name="Bai"/> la potenziometria a effetto tunnel (STP, ''Scanning Tunnelling Potentiometry''), la quale misura il [[potenziale elettrico]] attraverso una superficie;<ref name="Bai"/> la [[microscopia a effetto tunnel a spin polarizzato]] (SPSTM, ''Spin Polarized Scanning Tunnelling Microscopy)'', la quale usa una punta [[ferromagnetismo|ferromagnetica]] per il tunnelling degli elettroni polarizzati in [[spin]] in un campione magnetico,<ref name="Wiesendanger">{{cita pubblicazione| autore = R. Wiesendanger| coautori = I.V. Shvets; D. Bürgler; G. Tarrach; H.-J. Güntherodt; J.M.D. Coey| titolo = Recent advances in spin-polarized scanning tunneling microscopy| url = https://archive.org/details/sim_ultramicroscopy_1992-07_42-44/page/338| rivista = Ultramicroscopy| volume = 42-44| anno = 1992|p=338| doi = 10.1016/0304-3991(92)90289-V| lingua = en}}</ref>, e la [[microscopia a forza atomica]] (AFM, ''Atomic Force Microscopy''), in cui viene misurata la [[forza]] dell'interazione tra la punta ed il campione.

In altri esperimenti con STM si usa la punta per modificare la topografia del campione. Questo permette di usare il sistema di posizionamento preciso a livello atomico dell'STM, e quindi consente una manipolazione su scala atomica. Inoltre, dopo che la superficie è modificata tramite la punta, è semplice realizzare l'immagine con lo stesso STM. I ricercatori dell'[[IBM]] hanno sviluppato un modo per manipolare gli atomi di [[xeno]] [[adsorbimento|adsorbiti]] sopra una superficie di [[nichel]].<ref name="Bai"/> Questa tecnica è stata utilizzata per creare "recinti" di [[elettrone|elettroni]] con un piccolo numero di atomi adsorbiti che ha permesso di osservare le [[oscillazioni di Friedel]] degli elettroni sulla superficie del materiale.