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Microscopía de Efecto Túnel y Microscopía de Fuerza Atómica

Open Course Ware UC3M

Microscopía de efecto túnel y Microscopía de Fuerza Atómica
Microscopía de Efecto Túnel
1. Introducción
En un metal como el cobre, el radio medio de la nube de carga de los electrones más
externos de cada átomo es aproximadamente un ángstrom; puesto que la distancia entre
átomos es sólo de 2 – 5 Å, lasnubes electrónicas de átomos vecinos casi se superponen.
Por tanto, es muy fácil que un electrón de un átomo pase a otro contiguo y así
sucesivamente a través del metal. En primera aproximación, podemos suponer que los
electrones más externos de los átomos se mueven casi libremente en el cristal. Sin
embargo, los electrones no se escapan fácilmente del metal, sino que permanecen dentro
delmismo. Esta explicación por supuesto es algo intuitiva, la teoría de orbitales
moleculares nos ofrece una explicación más detallada de los electrones en un metal. Por
consiguiente, debe existir una barrera de potencial en la superficie del metal que se
opone a la salida de los electrones. La teoría de los electrones libres en un sólido predice
que a la temperatura de 0K, estos electrones libresocupan estados con energías
crecientes. Si hay N electrones, éstos se dispondrán en niveles de energías crecientes; el
primero estará en el estado de energía más bajo y el último, en el estado de energía
máxima. Esta energía máxima recibe el nombre de energía de Fermi, EF, que, en
general, es del orden de 4 – 5 eV.
Se define la función de trabajo como la mínima energía extra (medida tomandocomo
base EF) que un electrón debe tener para poder escapar del material. Cuando el electrón
se encuentra fuera del cristal, a una distancia x de su superficie, experimenta una fuerza
imagen inversamente proporcional a –x-2 que lo atrae hacia la superficie. Para que el
electrón escape, su energía debe ser suficiente como para vencer esta atracción, esta
energía es la función de trabajo.
Emisióntermoiónica
Al aumentar la temperatura, la energía de los electrones también crece y el número de
electrones con una energía suficiente para escapar del metal se incrementa. Si se coloca
un electrodo con potencial positivo suficientemente cerca del metal, atraerá hacia sí los
electrones emitidos. En estas condiciones, se puede medir la corriente de saturación para
cada temperatura. A esteefecto se le denomina efecto termoiónico.
Emisión de campo
El electrodo que se utiliza para atraer a los electrones emitidos está cargado
positivamente a un potencial V, es decir, la energía potencial del electrón disminuye en
la dirección del electrodo. En la Figura 1, se representa la variación de la energía
potencial del electrón en ausencia de un campo externo (curva A) y en presencia delmismo (curva A+B). Esta última curva tiene un máximo que se diferencia del original
en una cantidad ∆φ. Cuanto más alto es el potencial V, mayor es ∆φ. Este fenómeno
recibe el nombre de efecto Schottky.
En general, este efecto es pequeño; para campos del orden de 104 Vm-1, ∆φ es igual a
10-2 eV. No obstante, si V es grande, la energía potencial del electrón decrece tan
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rápidamente que su valor a una distancia ∆x muy pequeña desde la superficie del metal
disminuye en una cantidad del orden de φ (Figura 1). La energía del electrón en ∆x es
igual a la energía de un electrón dentro del metal que tenga una energía EF. Si ∆x es
suficientemente pequeño (≈ 10 Å) los electrones dentro del metalpueden escapar por
efecto túnel, a través de la barrera de potencial a una posición fuera con la misma
energía, es decir, no necesitan una energía EF + φ para escapar.

Figura 1.- Efecto Schottky. En presencia de un campo externo la función de trabajo se reduce en ∆φ.
(Imagen de ALBELLA, J.M.; CINTAS, A.M.; MIRANDA, T. ; SERRATOSA, J.M.: Introducción a la ciencia de materiales.
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