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[[File:Atomic resolution Au100.JPG|thumb|Immagine di ricostruzione su una superficie di [[oro]][[indice di Miller|(111100)]] 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 strumento per lo studio delle [[Superficie (fisica)|superfici]] a livello atomico. Il suo sviluppo nel 1981 fruttò ai suoi inventori, [[Gerd Binnig]] e [[Heinrich Rohrer]] (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 0,1 nm e una risoluzione in profondità di 0,01 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. Il 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>
Il L'STM si basa sull'[[effetto tunnel]]. Quando una punta conduttrice è portata molto vicino alla superficie da esaminare, una [[differenza di potenziale]] applicata tra i due può permettere 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"/>
Misurando la corrente nei diversi punti della superficie del campione, si ottengono immagini topografiche e altre informazioni. La L'STM può essere una tecnica impegnativa, in quanto può richiedererichiede 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]], cheovvero è lain posizione di equilibrio tra forze attrattive (3 Å < W <10Å 10 Å) e repulsive (W <3Å 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>
Oltre alla scansione attraverso il campione, le informazioni sulla struttura elettronica in una data posizione possono essere ottenute variando la tensione e misurando la corrente.<ref name="Bai"/> Questo tipo di misurazione è chiamato [[spettroscopia a effetto tunnel]] (STS, ''Scanning Tunnelling Spectroscopy'') e in genere i risultati vengono visualizzati in un diagramma di [[densità degli stati]] locale in funzione dell'energia all'interno del campione.
Il vantaggio del dell'STM su altre misurazioni della densità degli stati risiede nella sua capacità di effettuare misurazioni estremamente localizzate: per esempio, la densità degli stati in un'area di [[impurezza]] può essere paragonata alla densità degli stati in aree "pulite".<ref name="Pan">{{cita pubblicazione| cognome = Pan| nome = S.H.| coautori = E. W. Hudson; K.M. Lang; H. Eisaki; S. Uchida; J.C. Davis| anno = 2000| rivista = Nature| volume = 403|pp=746-750| doi = 10.1038/35001534| pmid = 10693798| url = https://www.nature.com/nature/journal/v403/n6771/full/403746a0.html| titolo = Imaging the effects of individual zinc impurity atoms on superconductivity in Bi<sub>2</sub>Sr<sub>2</sub>CaCu<sub>2</sub>O<sub>8</sub>+delta| numero = 6771| accesso=28 marzo 2010| lingua = en}}</ref>
Con un ''[[framerate]]'' di almeno 1 Hz attiva il cosiddetto Videovideo-STM (sono stati raggiunti anche 50 Hz).<ref>{{cita pubblicazione|autore = Georg Schitter|coautori = Marcel J. Rost|anno = 2008|data = 21 gennaio 2009|titolo = Scanning probe microscopy at video-rate|rivista = Materials Today|volume = 11|numero = special issue|pp=40-48|editore = Elsevier|città = UK|issn = 1369-7021|doi = 10.1016/S1369-7021(09)70006-9|url = http://www.materialstoday.com/view/2194/scanning-probe-microscopy-at-videorate/|formato = PDF|accesso = 28 marzo 2010|lingua = en|urlmorto = sì|urlarchivio = https://web.archive.org/web/20090909035928/http://www.materialstoday.com/view/2194/scanning-probe-microscopy-at-videorate/}}</ref><ref>{{cita pubblicazione| autore = Rostislav V. Lapshin| coautori = Oleg V. Obyedkov| anno = 1993| titolo = Fast-acting piezoactuator and digital feedback loop for scanning tunneling microscopes| rivista = Review of Scientific Instruments| volume = 64| numero = 10| pp = 2883-2887| doi = 10.1063/1.1144377| url = http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#fast1993| formato = PDF| accesso = 28 marzo 2010| lingua = en| dataarchivio = 17 maggio 2019| urlarchivio = https://web.archive.org/web/20190517162600/http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#fast1993| urlmorto = sì}}</ref> Questo può essere utilizzato per scansionare la [[diffusione di materia|diffusione]] di superficie.<ref>{{cita pubblicazione| autore = B.S. Swartzentruber| anno = 1996| titolo = Direct measurement of surface diffusion using atom-tracking scanning tunneling microscopy| url = https://prl.aps.org/abstract/PRL/v76/i3/p459_1| rivista = Physical Review Letters| volume = 76| numero = 3|pp=459-462| doi = 10.1103/PhysRevLett.76.459| pmid = 10061462| accesso=28 marzo 2010| lingua = en}}</ref>
== Strumentazione ==
I componenti di un STM includono la punta di scansione, un posizionatore (''scanner'') con attuatori piezoelettrici per l'altezza e la posizione nel piano x-y, dei controlli meccanici grossolani, un sistema di isolamento delle vibrazioni, l'elettronica per controllare il tutto e per l'interfaccia utente.<ref name="Oura"/>
La [[risoluzione (grafica)|risoluzione]] di un'immagine è limitata dal [[raggio di curvatura]] della punta di scansione del dell'STM. La punta ideale termina con un solo atomo che interagisce con il campione; in caso contrario, con punte deformate o "doppie punte" che contribuiscono all'effetto tunnel, si trovano artefatti nell'immagine.<ref name="Bai"/> Pertanto è stato necessario sviluppare processi per fabbricare in modo affidabile punte acuminate e utilizzabili.
La punta è spesso fatta di [[tungsteno]] o di platino-iridio, sebbene sia utilizzato anche l'[[oro]].<ref name="Bai"/> Le punte di tungsteno sono solitamente formate tramite incisione [[elettrochimica]] e, le punte di platino-iridio tramite taglio meccanico.<ref name="Bai"/> Recentemente sono stati utilizzati anche i [[nanotubi di carbonio]].<ref>{{cita pubblicazione| nome = A.| cognome = Pasquini| coautori = Picotto G.B.; Pisani M.| doi = 10.1016/j.sna.2005.02.036| titolo = STM carbon nanotube tips fabrication for critical dimension measurements| anno = 2005| rivista = Sensors and Actuators A: Physical| volume = 123-124|pp=655-659| accesso=28 marzo 2010| lingua = en| id = ISSN 0924-4247}}</ref>
A causa dell'estrema sensibilità della corrente di ''tunnelling'' in rapporto all'altezza, è indispensabile un appropriato isolamento delle vibrazioni o un corpo di STM estremamente rigido onde ottenere risultati utili. Nel primo STM di Binnig e Rohrer, venne usata la [[levitazione magnetica]] per mantenere il STMmicroscopio isolato da vibrazioni; attualmente vengono spesso utilizzate molle meccaniche o sistemi di [[molla a gas|molle a gas]].<ref name="Chen"/> Inoltre, a volte vengono implementati dei meccanismi per la riduzione delle [[corrente parassita|correnti parassite]].
Il mantenimento della posizione della punta rispetto al campione, la scansione del campione e l'acquisizione dei dati sono controllati dal computer.<ref name="Oura"/> Il computer può essere utilizzato anche per migliorare l'immagine [[Elaborazione digitale delle immagini|elaborare le immagini]]<ref>{{cita pubblicazione| autore = R.V. Lapshin| anno = 1995| titolo = Analytical model for the approximation of hysteresis loop and its application to the scanning tunneling microscope| rivista = Review of Scientific Instruments| volume = 66| numero = 9| pp = 4718-4730| doi = 10.1063/1.1145314| url = http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#analytical1995| formato = PDF| accesso = 28 marzo 2010| lingua = en| dataarchivio = 17 maggio 2019| urlarchivio = https://web.archive.org/web/20190517162600/http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#analytical1995| urlmorto = sì}}([http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#analytical1995 Russian translation] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20190517162600/http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#analytical1995 |date=17 maggio 2019 }} is available).</ref><ref>{{cita pubblicazione| autore = R.V. Lapshin| anno = 2007| titolo = Automatic drift elimination in probe microscope images based on techniques of counter-scanning and topography feature recognition| rivista = Measurement Science and Technology| volume = 18| numero = 3| pp = 907-927| doi = 10.1088/0957-0233/18/3/046| url = http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#automatic2007| formato = PDF| accesso = 28 marzo 2010| lingua = en| dataarchivio = 17 maggio 2019| urlarchivio = https://web.archive.org/web/20190517162600/http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#automatic2007| urlmorto = sì}}</ref> e per la rappresentazione di misure quantitative.<ref>{{cita pubblicazione| autore = R.V. Lapshin| anno = 2004| titolo = Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology| rivista = Nanotechnology| volume = 15| numero = 9| pp = 1135-1151| doi = 10.1088/0957-4484/15/9/006| url = http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#feature2004| formato = PDF| accesso = 28 marzo 2010| lingua = en| dataarchivio = 17 maggio 2019| urlarchivio = https://web.archive.org/web/20190517162600/http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#feature2004| urlmorto = sì}}</ref>
== Varianti e altri usi del dell'STM ==
[[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 del 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 del 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.
Oltre a modificare la superficie effettiva del campione, si può anche utilizzare il l'STM per esporre con elettroni uno strato di [[resist]] depositato sul campione, in modo da ottenere una [[Litografia (elettronica)|litografia]]. Questo ha il vantaggio di offrire un maggiore controllo dell'esposizione rispetto alla [[litografia a fascio di elettroni]] tradizionale.
Un'altra applicazione pratica del dell'STM è la deposizione atomica di metalli (ad esempio oro, argento, tungsteno) secondo il disegno desiderato, che possono essere utilizzati come contatti di nanodispositivi o come nanodispositivi stessi.
Recentemente è stata dimostrata la possibilità di utilizzare la punta del dell'STM per ruotare i [[legame chimico|legami]] all'interno di singole molecole. La [[resistenza elettrica]] della molecola dipende dall'orientazione del legame, cosicché la molecola diventa effettivamente un [[interruttore molecolare]].
== Principio di funzionamento ==
::<math>- \frac{\hbar^2}{2m} \frac{\partial^2\psi_n (z)}{\partial z^2} + U(z) \psi_n (z) = E\psi_n (z) </math>,
dove ''ħ'' è la [[costante di Planck ridotta]], ''z'' la posizione e ''m'' la massa di un elettrone<ref name="Chen"/>. Se un elettrone di energia ''E'' è incidente su una barriera di energia di altezza ''U(z)'', la soluzione dell'equazione nello spazio dove ''E>U(z)'' (cioè nella punta o nel campione nel caso del dell'STM) è un'onda che si propaga. La forma della soluzione è
::<math>\psi_n (z) = \psi_n (0)e^{\pm ikz}</math>,
::<math> I \propto \sum_{E_F-eV}^{E_F} |\psi_n (0)|^2 e^{-2 \kappa W} </math>.
Si può sommare la probabilità delle energie tra ''E<sub>F</sub> − eV'' e ''E''<sub>F</sub> per ottenere il numero di stati disponibili in questo intervallo di energia per unità di volume, trovando perciò la [[densità locale degli stati]] locale (LDOS, ''Local Density Of States'') prossimi al livello di Fermi.<ref name="Chen"/> La LDOS ad una qualche energia ''E'' in un intervallo ''ε'' è data da
::<math> \rho_s (z,E) = \frac{1}{\varepsilon} \sum_{E- \varepsilon}^{E}|\psi_n (z)|^2 </math>,
::<math> I \propto V \rho_s (W, E_f) </math>
Il termine esponenziale è molto importante in quanto piccole variazioni indella distanza punta-campione ''W'' influenzano notevolmente la corrente di tunnel.: Se la separazione è diminuitavariazioni di 1 Ǻ, lain correnteseparazione crescecorrispondono a variazioni di un ordine di grandezza, in corrente (in direzione inversa: al diminuire della distanza la corrente cresce e viceversa).<ref name="Bonnell" />
Tale approccio non permette di calcolare il tasso di elettroni che possono attraversare la barriera. Questo valore incide sulla corrente di tunnelling, e può essere trattato con la [[regola aurea di Fermi]] con l'appropriato elemento di matrice di tunnelling. [[John Bardeen]] risolse questo problema nel suo studio sulla giunzione metallo-isolante-metallo (MIM).<ref name="Bardeen">{{cita pubblicazione| autore = J. Bardeen| titolo = Tunneling from a many particle point of view| url = https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.6.57| rivista = Phys. Rev. Lett.| volume = 6| numero = 2|pp=57-59| anno = 1961| accesso=28 marzo 2010| lingua = en| doi = 10.1103/PhysRevLett.6.57}}</ref> Egli scoprì che se avesse risolto l'equazione di Schrödinger per ciascun lato della giunzione separatamente per ottenere le funzioni d'onda ''ψ'' e ''χ'' per ciascun [[elettrodo]], avrebbe potuto ottenere la matrice di tunnelling, ''M'', dalla sovrapposizione di queste due funzioni d'onda.<ref name="Chen"/> Questo può essere applicato al STM considerando la punta e il campione come elettrodi, assegnando rispettivamente ''ψ'' e ''χ'' come campione e funzioni d'onda della punta e valutando ''M'' per una certa superficie ''S'' tra gli elettrodi di metallo, con ''z=0'' sulla superficie del campione e ''z=W'' sulla superficie della punta.<ref name="Chen"/>.
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