Investigadores financiados por la UE anuncian una técnica para medir estados de carga
Científicos de Alemania, Países Bajos y Suiza han logrado medir los estados de carga de átomos únicos de oro y plata aplicando la técnica de microscopía de fuerza atómica (AFM) de una forma innovadora. Sus descubrimientos, sobre los cuales se ha publicado un artículo en la revista Science, poseen gran importancia para el estudio de ciertos procesos tecnológicos físicos y químicos relevantes y sus implicaciones se extienden al desarrollo de dispositivos de electrón único. Los resultados proceden del proyecto NanoMan («Control, manipulación y fabricación en la escala de uno a diez nanómetros mediante fuerzas localizadas y excitación»), financiado con 1,5 millones de euros mediante el área temática («Nanotecnologías y nanociencias, materiales multifuncionales basados en el conocimiento y nuevos procesos y dispositivos de producción») del Sexto Programa Marco (6PM). Según el estudio, el estado de carga es una propiedad importante que atañe a muchos procesos físicos y químicos y que puede aprovecharse en dispositivos de electrón único. «Ser capaces de medir algo así mediante AFM nos permite realizar esas mismas mediciones en aislantes, los cuales son materiales de una gran relevancia tecnológica», según explica el Dr. Leo Gross de IBM Research en Zúrich (Suiza) en una entrevista de Science en formato de podcast. Además de proporcionar información valiosa sobre los procesos catalíticos, el Dr. Gross prosiguió diciendo que «sería muy positivo para la fotovoltaica medir la distribución de la carga de una transferencia de carga compleja con precisión atómica». Experimentos anteriores con microscopía de túnel de barrido (STM) habían permitido sondear el estado de carga de átomos únicos. No obstante, el obstáculo de mayor envergadura en este tipo de experimentos radica en que la STM no funciona en los aislantes, que son necesarios para mantener cargas separadas. Ciertos estudios en los que se emplearon AFM de no contacto depararon resultados prometedores, si bien cabe reseñar que esta técnica utiliza oscilaciones entre los diez y los cincuenta angstroms, mientras que para lograr una resolución adecuada se necesita que esta oscilación se acerque más a un angstrom. Los investigadores combinaron la AFM con «microscopía de fuerza de sonda Kelvin», que requiere temperaturas criogénicas para su empleo, y observaron el estado de carga de átomos de oro absorbidos en una fina capa de cloruro de sodio. Los resultados se confirmaron observando átomos de plata usando el mismo sistema. «Utilizamos una técnica denominada sensor qPlus, que consiste en un diapasón diminuto, al estilo de ciertos relojes de pulsera, en el que uno de los ejes queda fijo y el segundo sostiene el ápice», explicó el Dr. Gross. El haz es una palanca, apoyada sólo en uno de sus extremos. Estos haces se utilizan con profusión en sistemas microelectromecánicos y cabe añadir que sin transductores de palanca sería imposible aplicar la AFM. «Logramos incorporar este sensor a la configuración STM de baja temperatura que ya teníamos en funcionamiento», añadió. Este sensor qPlus es mejor, puesto que es capaz de oscilar en una amplitud muy pequeña gracias a que se trata de una palanca muy rígida. De esta manera conseguimos registrar y medir con amplitudes de oscilación de tan sólo 0,2 angstroms (cerca de la décima parte del diámetro de un átomo). Estas oscilaciones tan mínimas son importantes para alcanzar [ ... ] resolución atómica.» Los experimentos se llevaron a cabo en condiciones de ultra alto vacío y a temperaturas de helio líquido (unos 4,2 grados Kelvin), condiciones muy favorables para el sensor qPlus. «Una temperatura tan baja no sólo es necesaria para lograr estabilidad en el equipo de medición, sino también en el sistema al completo. El átomo único de la capa aislante no sería estable a temperatura ambiente», explicó el Dr. Gross. Los investigadores descubrieron que tanto las cargas positivas como las cargas negativas de los átomos aumentaban ligeramente la presión en la punta del AFM. Esto crea una fuerza electrostática que no está presente en el estado neutro del átomo, por lo que permitió a los investigadores determinar si los átomos de oro y plata poseían carga positiva, negativa o neutra. Su método demuestra que la AFM de no contacto puede emplearse para obtener imágenes de átomos únicos o moléculas y que puede utilizarse para detectar estados de carga en átomos únicos en películas aislantes finas. En el editorial de la revista, Ernst Meyer y Thilo Glatzel de la Universidad de Basilea, escriben que «esta nueva técnica tiene repercusiones de gran calado para el campo de la electrónica molecular». El hecho de que los investigadores pudieran llevar a cabo sus experimentos sin necesidad de cablear el objeto a analizar fue todo un logro, afirman. Además se espera que el nuevo método pueda ampliarse a moléculas o redes moleculares. «Ahora la AFM ofrece la posibilidad de progresar hacia películas aislantes más gruesas y aislantes masivos. Esto tiene su importancia si se desea investigar, por ejemplo, el transporte eléctrico en "películas moleculares planares", en dispositivos de átomo único o en redes moleculares. En estos casos es necesaria una película aislante de mayor grosor en la que no exista fuga de electrones», afirmó el Dr. Gross. Los investigadores tienen planeado utilizar su técnica en películas aislantes de mayor grosor o «aislantes masivos» e investigar moléculas y complejos de moléculas metálicas mediante este sistema. «Lo que de verdad nos interesa es medir el transporte de carga y la distribución de ésta en ese tipo de redes», puntualizó el Dr. Gross. Se espera que la técnica de AFM modificada aporte nuevos conocimientos sobre ámbitos relativos a fuentes de energía, electrónica molecular, fotónica y catálisis.
Países
Suiza, Alemania, Países Bajos