NANOFABRICACIÓN, NANOELECTRÓNICA Y CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPÍAS DE FUERZAS Y DE EFECTO TÚNEL

Transcripción

1 NANOFABRICACIÓN, NANOELECTRÓNICA Y CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPÍAS DE FUERZAS Y DE EFECTO TÚNEL R. García El desarrollo alcanzado por las áreas científicas conocidas como nanociencia y nanotecnología se debe, en parte, al descubrimiento y posteriores desarrollos del microscopio de fuerzas (AFM) y de efecto túnel (STM). Ambas microscopías se han configurado como herramientas indispensables para interrogar las propiedades de sistemas de tamaño nanométrico. El carácter local y el preciso control de las interacciones electromagnéticas permite a estas técnicas la investigación del estado químico, mecánico o eléctrico de estructuras nanométricas, con independencia de la naturaleza de las nanoestructuras. Estas pueden ser de tipo semiconductor, moléculas orgánicas o moléculas biológicas. Las propiedades mencionadas de los microscopios de fuerzas y de efecto túnel pueden ser aprovechadas para desarrollar nuevas técnicas de modificación y manipulación de superficies a escala nanométrica. Esos métodos pueden constituir las bases para el desarrollo de nuevas técnicas de litografía con definición de motivos por debajo de los 10nm. En la actualidad el laboratorio de fuerzas y túnel tiene dos objetivos principales, por una parte la investigación de las propiedades estructurales, mecánicas, eléctricas, químicas y tribológicas de sistemas de tamaño nanométrico. Por otra parte, el desarrollo de procedimientos basados en el uso del microscopio de fuerzas para fabricar dispositivos como transistores de un solo electrón o memorias de muy alta densidad. La actividad científica que se presenta a continuación se ha dividido en tres secciones: nanofabricación, nanoelectrónica y caracterización y espectroscopía a escala nanométrica. Figura 1. Microscopio de efecto túnel de baja corriente construido en el IMM 36

2 NANOELECTRÓNICA: CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA DE SISTEMAS NANOMÉTRICOS M. Calleja, M. Tello, J. Anguita, F. García y R. García Las propiedades mecánicas, eléctricas y de síntesis de los nanotubos de carbono los ha convertido como candidatos ideales para su empleo como nanohilos conductores en dispositivos de tamaño nanométrico. Con el objetivo de estudiar las características eléctricas de sistemas nanométricos se ha depositado una cuerda de nanotubos de carbono (SWNT Single Wall Nanotubes) sobre electrodos de oro-cromo, definidos mediante técnicas de litografía de haz de electrones. Tras la deposición de los nanotubos la superficie se caracteriza mediante el microscopio de fuerzas en el modo de no-contacto. La imagen de AFM muestra un nanotubo sobre un electrodo de cromo-oro. La combinación de la litografía por haz de electrones y litografía óptica ha permitido acceder a la medida de las características corriente-voltaje del nanotubo Electrodo de oro nanotubo 50 nm Imagen de AFM de nanotubos depositados sobre electrodos de Au fabricados mediante litografía por haz de electrones. Las cuerdas de nanotubos medidas presentan comportamiento óhmico en el rango de voltajes medido, de 1 V a 1 V. Para el nanotubo mostrado en la figura anterior se ha medido una resistencia de 17 MΩ ( nanotubo de 250 nm de longitud, 14 nm de altura y 30 nm de diámetro). La resistividad que se obtiene de estas medidas es de ρ = 3 Ω cm. En la figura se presenta la curva I-V del nanotubo. La inserción presenta la corriente de fugas característica del sistema de medida. 37

3 I (A) I (A) V V (V) Curva corriente-voltaje de una cuerda de nanotubos tipo SWNT. La dependencia lineal muestra el carácter metálico de la cuerda de nanotubos. El cuadro pequeño muestra la corriente entre los electrodos en ausencia del nanotubo. Microscopio de Fuerzas construido en el IMM 38

4 NANOFABRICACIÓN: OXIDACIÓN LOCAL DE SUPERFICIES DE SILICIO M. Calleja, M. Tello, F. García y R. García Las microscopías de fuerzas y de efecto túnel (AFM y STM) han abierto una gran variedad de métodos para modificar superficies metálicas, semiconductoras y formadas por películas orgánicas. Sin embargo, no todos los métodos propuestos parecen adecuados para la fabricación de nanoestructuras a gran escala. La oxidación local de superficies se está convirtiendo en uno de los métodos más versátiles para la fabricación de nanoestructuras. En el laboratorio de fuerzas y túnel se ha desarrollado un método de nanolitografía basado en el confinamiento espacial de una reacción química: la oxidación y en el uso del modo de no contacto del microscopio de fuerzas. Este modo aumenta considerablemente la reproducibilidad del método. El proceso para obtener una marca de óxido de silicio en el modo de no-contacto consta de los siguientes pasos, en primer lugar se hace oscilar la punta del microscopio sobre la zona de la superficie que se desea modificar. La humedad relativa se mantiene en el rango del 40-60%, en estas condiciones se adsorben unas cuantas monocapas de agua en la punta y la muestra. A continuación se aplica un pulso de voltaje entre punta y muestra. El campo eléctrico produce la condensación de un menisco de agua entre punta y muestra. El agua se polariza debido a la acción del campo eléctrico, proporcionando los iones OH -, O - necesarios para la oxidación del silicio. El campo eléctrico favorece la difusión de los aniones y su combinación con Si 2+, producido por un exceso de huecos en la superficie del semiconductor. V SiO x Si(100) Esquema del proceso de oxidación local mediante AFM en el modo de no-contacto Este método, al no existir contacto mecánico entre la punta y la muestra, previene el deterioro de la punta, lo cual permite que una misma punta pueda efectuar miles de modificaciones. Esto tiene consecuencias directas en la reducción del tiempo requerido para generar motivos nanométricos. También implica una substancial mejora de la reproducibilidad. Por otra parte, la formación controlada de meniscos de agua de tamaño nanométrico proporciona también un método para mejorar la resolución lateral de la técnica. De esta forma es posible generar puntos de SiO 2 de 5-10 nm de diámetro. 39

5 La reproducibilidad, estabilidad y control del tamaño de los motivos permite aplicar la oxidación local para desarrollar nuevos métodos de almacenamiento de información. El método descrito ha sido aplicado para fabricar dispositivos de almacenamiento de información como el ilustrado en la figura, que contiene al número pi con una densidad de 0.5 Tbit/cm 2. Si el procedimiento descrito anteriormente se mantuviese para grabar información en una superficie del tamaño de un disco compacto, se podrían almacenar unas 1000 horas de música. Imagen del número π (código binario) grabada por el método de oxidación local con una densidad de 0.5 Tbit/cm 2. Cada 1 mide 20 nm. 40

6 MICROSCOPÍA DE FUERZAS DE MOLÉCULAS ORGÁNICAS Y/O BIOLÓGICAS: VISUALIZACIÓN Y ESPECTROSCOPÍA A. San Paulo, C. Tromas, T. Rodríguez y R. García. El laboratorio de fuerzas y túnel participa en el desarrollo de nuevos métodos basados en la espectroscopia de fuerzas para medir interacciones individuales entre moléculas orgánicas (azúcares) con una resolución de 10 pn. Así mismo, se trabaja activamente en el desarrollo de métodos para la caracterización morfológica y composicional de moléculas biológicas con resolución nanométrica. Visualización de anticuerpos mediante modos dinámicos de la microscopia de fuerzas El Microscopio de Fuerzas en Modo Dinámico presenta dos regímenes de funcionamiento: atractivo y repulsivo. Estos regímenes están caracterizados por una fuerza de interacción neta entre punta y muestra atractiva y repulsiva respectivamente. La selección del régimen de funcionamiento del microscopio es posible mediante la obtención de curvas de amplitud frente a la separación entre punta y muestra. Una discontinuidad en estas curvas determina la transición entre el régimen atractivo y el repulsivo. Experimentos de visualización en aire de moléculas individuales de anticuerpos [α-hsa] sobre un substrato sólido (mica), han permitido determinar los efectos de la operación en ambos regímenes sobre este tipo de muestras. El régimen atractivo permite determinar la morfología y orientación de los anticuerpos sobre el substrato. Por el contrario, el funcionamiento en régimen repulsivo induce una deformación irreversible en las moléculas. Las imágenes topográficas obtenidas en régimen atractivo muestran cuatro tipos de morfología de las moléculas. Teniendo en cuenta la estructura tridimensional de los anticuerpos, estos cuatro tipos de morfología se han asociado a las cuatro posibles orientaciones de las moléculas sobre el substrato. La existencia de contacto mecánico entre punta y muestra y la magnitud de las fuerzas involucradas, son los factores principales que determinan las diferencias en el funcionamiento del microscopio en cada régimen. Mediante simulaciones numéricas de la dinámica de oscilación de una punta en la proximidad de una superficie, se ha determinado la ausencia de contacto mecánico entre punta y superficie en régimen atractivo para unas condiciones de funcionamiento similares a las de experimentos realizados. Adicionalmente, los resultados de las simulaciones revelan que el valor de la fuerza de interacción instantánea máxima en el régimen repulsivo puede llegar ser un orden de magnitud más alta que en el régimen atractivo. El resultado práctico de los estudios anteriores ha sido la mejora en la resolución del microscopio. Esto se hace patente en su empleo para visualizar moléculas biológicas como se ilustra en la figura. 41

7 (a) 3.0 nm (b) (c) F ab 6.5 nm 6.0 nm F c 15 nm 5.0 nm Esquema de la estructura y dimensiones de un anticuerpo. (b) Imagen de alta resolución en régimen atractivo de una molécula aislada de un anticuerpo α-hsa sobre mica. (c) Imagen de la misma molécula en régimen atractivo después de efectuar diversos barridos en régimen repulsivo sobre la molécula. Referencias: R. García, M. Calleja y F. Pérez-Murano, Appl. Phys. Lett. 72, 2295 (1998) R. García, M. Calleja y H. Rohrer, J. Appl. Phys. 86, 1898 (1999) M. Calleja, J. Anguita, R. García, K. Birkelund, F. Pérez-Murano and J. Dagata, Nanotechnology 1, 10 (1999) R. García y A. San Paulo, Phys. Rev. B 60, 4961 (1999) M. Calleja y R. García, Appl. Phys. Lett. 76, 3427 (2000) R. García y A. San Paulo, Phys. Rev. B 61, R13381 (2000) A. San Paulo y R. García, Biophys. J. 78, 1599 (2000) A. San Paulo y R. García, Surf. Sci. 471, 71 (2001) M. Tello y R. García, Appl. Phys. Lett. 79, 424 (2001) M. Calleja, M. Tello, J. Anguita, F. García and R. García, Appl. Phys. Lett. 80 (2001) 42