Algunas técnicas experimentales: microscopio de fuerza atómica

Estás ante una nueva entrega de la serie Lo que hace este tío para ganarse el pan. En esta ocasión quiero describir otra técnica de las que utilizamos en el laboratorio para caracterizar los materiales semiconductores que se utilizan para fabricar dispositivos electrónicos. Hoy voy a hablar de una técnica que nos permite ver cosas muy, muy pequeñas que se encuentran en la superficie del material. Me refiero a la microscopía de fuerza atómica. Eso sí, lo voy a contar a lo sencillo para que no se me asuste nadie.

¿Qué es lo que se puede ver con esta técnica que no se pueda ver con otras?

Por microscopía entendemos el uso de aparatitos para poder ver cosas que son tan pequeñas que no las podemos ver a simple vista, con el ojo desnudo, que se suele decir. Todos conoceréis los microscopios ópticos convencionales, que son los que suelen salir en las noticias cuando hablan de algo relacionado con la ciencia: ya sabéis, esos cacharritos que están formados por lentes y que tienen unos tubos por los que se asoma uno y ve lo que sea que se esté estudiando. Con estos microscopios podemos ver cosas de hasta más o menos 1 µm (que se lee un micrómetro o una micra, y equivale a 0.0001 cm).

Para ver cosas aún más pequeñas tenemos que tirar de los microscopios electrónicos. En este otro tipo de microscopio, en lugar de tener luz corriente y unas lentes que aumentan lo que queremos ver, tenemos electrones. Básicamente, lo que se hace es lanzar un chorro de electrones, que pega con el material e interactúa con él. Como resultado, otros electrones salen del material, se dirigen con unas lentes especiales para electrones, y se detectan con unos dispositivos especiales, del mismo modo que en el microscopio óptico detectamos la luz con nuestros ojos o con una cámara. Con un microscopio electrónico, se pueden ver cosas bastante más pequeñas, de hasta unos 10 nm (que se lee diez nanómetros, y equivale a 10^-7 cm, o 0.0000001 cm). Si me animo, otro día os cuento un poco más de algunos de estos microscopios.

Como alternativa a los microscopios electrónicos, están los microscopios de fuerza atómica (o AFM, por sus siglas en inglés, que son las que utilizaré todo el rato). Con ellos, podemos ver cosas quizá algo más pequeñas que con algunos microscopios electrónicos, de hasta fracciones de 1 nm, que tampoco supone una enorme diferencia. En realidad, a la hora de elegir está técnica o la que he descrito más arriba de los microscopios electrónicos, más que el límite de cuán pequeñas son las cosas que podemos ver, se tienen en cuenta (al menos en mi campo) otros factores que pueden nivelar la balanza de uno u otro lado.

Las ventajas y los inconvenientes de los AFM

Una de las ventajas que los AFM tienen sobre los microscopios eléctronicos es la poca preparación que hay que hacer a la muestra que queremos estudiar para poder visualizarla con el microscopio. Normalmente, con limpiar un poco tu trozo de material con algún disolvente en más que suficiente para poder tomar unas fotos de lo más chulo. En cambio, los microscopios electrónicos suelen requerir algo más de preparación, además de tener que operar en concidiones de vacío.

Otra de las ventajas es lo poco o nada invasiva o destructiva que es la técnica. Es decir: el AFM no modifica ni estropea la superficie del material mientras lo inspecciona. Además, el AFM nos da un mapa topográfico en tres dimensiones de la superficie del material, mientras que los microscopios electrónicos no (o no tanto).

No todo son ventajas, obviamente. Con un AFM tenemos bastante limitado el area de la muestra que podemos fotografiar, que suele estar limitada a cuadrados de 100-200 micras de lado. Además es una técnica bastante lenta. Esto último repercute en dos aspectos. El primero es que, obviamente, nos gusta que las cosas funcionen rápido para poder hacer más en menos tiempo. El segundo aspecto es que, como estamos haciendo fotos de trocitos muy pequeños del material, y las estamos haciendo muy despacito, puede pasar que la muestra se mueva lentamente (por lo que sea, variaciones en tempratura, vibraciones…) y que, igual que con la cámara del móvil, la foto nos salga distorsionada o movida.

¿Cómo funciona la cosa?

El funcionamiento de uno de estos microscopios es bastante ingenioso, y se puede entender bastante bien de forma intuitiva. Alguna vez he escuchado a algún vendedor de AFM comparar el funcionamiento de uno de estos microscopios con los ciegos que caminan con la ayuda de un bastón y es una comparación muy acertada. Nuestro amigo invidente va por la calle y va golpeando el suelo con el bastón para ver si hay obstáculos. Con él puede hacerse una idea mental de la topografía del suelo, puede ver si hay un agujero en la acera o un bordillo. También puede distinguir entre los diferentes tipos de baldosa que se ponen para la parte normal de la acera, los pasos de peatones, las paradas de autobús…

Figura 1. Imagen de microscopio electrónico de una punta de AFM usada. Se puede ver la palanca que se flexiona y la punta que inspecciona la superficie. Fuente: Wikimedia Commons.

Nuestro AFM funciona de una manera muy similar. La parte sensible del microscopio es una palanquita, como un trampolín de los de la piscina, que, en su parte inferior, tiene una punta pequeña y afiliada. Al desplazar dicha punta sobre la superficie del material, nuestro trampolín se flexiona hacia arriba y hacia abajo, y registrando esas flexiones, nos hacemos una idea de la topografía de la superficie de nuestro material. En la Figura 1 podéis ver una imagen (tomada con un microscopio electrónico de los que hablaba arriba, qué cosas) de uno de estos trampolines con punta. Las más sencillas y comunes de estas puntas están fabricadas con silicio, que se prepara con un método relativamente complejo que se puede consultar aquí.

Así que tenemos un trampolín con una punta que deslizamos sobre la superficie del material y que responde a las irregularidades de la superficie. Pero, ¿cómo hacemos para detecar las pequeñísimas flexiones del pequeñísimo trampolín? Para eso hacemos uso de un láser, como podéis ver en la Figura 2. La luz del láser incide en la parte superior del brazo del AFM, del trampolín. Es reflejada, y se detecta con cuatro fotodiodos (unos detectores de luz, vaya) que están colocados muy juntos, formando un mosaico. Cuando la superficie es lisa (Figura 2 (a)), el sistema está alineado de manera que la intensidad de la luz se reparte entre los cuatro fotodiodos, de manera que todos registran la misma señal, y el ordenador que maneja todo el cotarro se da cuenta de que la superficie es lisa. Bien: esto es fácil.

Figura 2. Esquema que muestra como se detecta la flexión del brazo de un AFM. (a) Cuando la superficie es lisa, el láser da en el trampolín, se refleja, y su intensidad se reparte entre los detectores, que registran la misma señal. (b) Cuando la superficie es más baja de lo normal, el brazo se flexiona menos, y la luz del láser que se refleja incide mayoritariamente en los detectores de abajo, que registran más señal que los otros. (c) Cuando la superficie es más alta de lo normal, el brazo se flexiona más, y la luz del láser que se refleja incide mayoritariamente en los detectores contrarios, que esta vez registran más señal que sus compañero.

Según deslizamos nuestra punta por la superficie de la muestra, puede ser que nos encontremos con un trozo que está más bajo de lo normal, como en la Figura 2(b). Como la superficie está más baja de lo normal, el brazo del AFM está más estirado de lo normal, lo que resulta en que el láser se refleje un poquito más abajo de lo normal. Ahora los cuatro cuadrantes del detector no ven la misma intensidad. De hecho, los detectores de abajo ven más de lo normal, y así el ordenador sabe que la superficie es un poco más baja en ese punto.

Por supuesto que también ocurre al revés, como en la Figura 2(c). La superficie puede tener alguna elevación. Entonces nuestro trampolín se flexiona más de lo normal y, de nuevo, unos cuadrantes del detector ven más luz que otros, y así sabemos que la punta está sobre una elevación del terreno. Por supuesto que la cosa es más delicada y la punta también se puede torsionar hacia los lados, pero eso también se puede detectar con nuestro sistema de cuatro fotodiodos.

¡Pero ponnos unas fotos sacadas con ese cacharro! ¡Algún ejemplo concreto, tírate el rollo!

Ya sabía yo que me ibais a pedir algo así. Buscando un poco por la red se pueden encontrar imágenes guapísimas obtenidas con la técnica que os estoy describiendo. Yo he juntado cuatro en la Figura 3, para que os hagáis una idea. La primera foto (Figura 3(a)) la he sacado de Wikimedia Commons. Lo que se puede ver son los bultos (o surcos, según se mire) de un CD-ROM. La imagen reproduce un cuadrado de 15 µm sobre la superficie del CD (o, más bien, de la lámina reflectante que hay dentro).

En la Figura 3(b) (que he sacado de esta referencia) podéis ver dos reconstrucciones superficiales adyacentes en un trozo de silicio. ¿Que qué es una reconstrucción superficial? Como sabréis, los materiales cristalinos están compuestos por átomos ordenados de una dterminada manera. Y se ordenan de esa manera porque están rodeados por todas partes de átomos igulaes a ellos. Pero, ah, amigo, los átomos de la superficie sólo tienen vecinos por un lado, así que se pueden ordenar de varias maneras diferentes que son compatibles con el resto de la estructura del cristal. Lo que veis en la figura son dos de esas posibles configuraciones de los átomos de un cristal de Si. La figura representa un área cuadrada de 26 nm de lado.

En la tercera (extraída de aquí) podéis ver una capa de grafito (que es el material presente en las minas de los lápices, entre otras cosas). El grafito está formado por átomos de carbono, que forman una red en dos dimensiones enlazándose fuertemente entre sí con tres de sus cuatro electrones de valencia. El electrón sobrante se utiliza para enlazar, más debilmente, las diferentes capas entre sí. En la foto podéis ver una de esas capas, y el lugar que ocupa cada átomo de carbono, en cada vértice de los hexágonos de la figura. La imagen tiene 2 nm (0.000000002 m) de lado.

Figura 3. Imágenes tomadas con un AFM de (a) un CD-ROM, (b) dos reconstrucciones superficiales coexistiendo en Si(111), (c) una capa de grafito, y (d) puntos cuánticos de arseniuro de indio crecidos sobre GaAs.

La cuarta está sacada de mi propia tesis doctoral (que por cierto, me voy a hacer publicidad: la podéis consultar aquí) y es cortesía del Dr. José María Ulloa Herrero. Se trata de una capa de puntos cuánticos de arseniuro de indio crecidos sobre un sustrato de arseniuro de galio. Los puntos cuánticos son una estructura muy interesante para, entre otras cosas, fabricar dispositivos emisores de luz, como LED y láseres. La foto representa un área cuadrada de 700 nm de lado (es decir, 0.0000007  m) y los puntitos blancos son los puntos cuánticos, que tienen unos 30 nm de lado y unos 5 nm de alto.

Para saber más

Obviamente, la técnica es bastante más sutil y compleja de lo que he contado aquí. El lector que quiera saber un poquito más, está invitado a buscar, por ejemplo, la entrada de la Wikipedia, o alguno de estos enlaces que he encontrado por ahí, como éste, éste, éste. Algunos de estos enlaces tienen referencias que pueden estar bastante bien.