Un estudiante graduado de la Universidad de Texas en Dallas, su asesor y colaboradores de la industria creen que han abordado un problema de larga data que preocupa a científicos e ingenieros durante más de 35 años:cómo evitar que la punta de un microscopio de túnel de barrido se estrelle contra la superficie de un material durante la obtención de imágenes o la litografía.
Los detalles de la solución del grupo aparecieron en la edición de enero de la revista. Revisión de instrumentos científicos , que es publicado por el Instituto Americano de Física.
Los microscopios de barrido de túnel (STM) funcionan en un vacío ultra alto, llevar una sonda de punta fina con un solo átomo en su vértice muy cerca de la superficie de una muestra. Cuando se aplica voltaje a la superficie, los electrones pueden saltar o hacer un túnel a través del espacio entre la punta y la muestra.
"Piense en ello como una aguja muy afilada, atómicamente afilado, "dijo Farid Tajaddodianfar, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación Erik Jonsson. "El microscopio es como un brazo robótico, capaz de alcanzar átomos en la superficie de la muestra y manipularlos ".
El problema es, a veces, la punta de tungsteno choca contra la muestra. Si toca físicamente la superficie de la muestra, inadvertidamente puede reorganizar los átomos o crear un "cráter, "lo que podría dañar la muestra. Tal" caída de la punta "a menudo obliga a los operadores a reemplazar la punta muchas veces, perdiendo un tiempo valioso.
El Dr. John Randall es profesor adjunto en UT Dallas y presidente de Zyvex Labs, un Richardson, Compañía de nanotecnología con sede en Texas que se especializa en el desarrollo de herramientas y productos que fabrican estructuras átomo por átomo. Zyvex se acercó al Dr. Reza Moheimani, un profesor de ingeniería mecánica, para ayudar a abordar el problema de fallas de las puntas de los STM. La silla donada por Moheimani fue un regalo del fundador de Zyvex, James Von Ehr MS'81, quien fue honrado como un alumno distinguido de UTD en 2004.
"Lo que están tratando de hacer es ayudar a hacer realidad la fabricación con precisión atómica, "dijo Randall, quien fue coautor del artículo con Tajaddodianfar, Moheimani y James Owen de Zyvex Labs. "Esto se considera el futuro de la nanotecnología, y es un trabajo extremadamente importante ".
Randall dijo que una fabricación tan precisa conducirá a una serie de innovaciones.
"Al construir estructuras átomo por átomo, puedes crear nuevos, materiales extraordinarios, "dijo Randall, quien es copresidente del Comité de Participación de la Industria de la Escuela Jonsson. "Podemos eliminar las impurezas y hacer que los materiales sean más fuertes y más resistentes al calor. Podemos construir computadoras cuánticas. Podría reducir radicalmente los costos y expandir las capacidades en la medicina y otras áreas. Por ejemplo, si podemos comprender mejor el ADN a nivel atómico y molecular, eso nos ayudará a afinar y adaptar la atención médica de acuerdo con las necesidades de los pacientes. Las posibilidades son infinitas."
Además, Moheimani, ingeniero de control y experto en nanotecnología, dijo que los científicos están intentando construir transistores y computadoras cuánticas a partir de un solo átomo utilizando esta tecnología.
"Hay una carrera internacional para construir máquinas, dispositivos y equipos 3-D desde el átomo hacia arriba, "dijo Moheimani, la Cátedra Distinguida James Von Ehr en Ciencia y Tecnología.
'Es un grande, Gran problema'
Randall dijo que Zyvex Labs ha gastado mucho tiempo y dinero tratando de comprender qué sucede con las puntas cuando fallan.
"Es un grande, gran problema, "Dijo Randall." Si no puedes proteger la punta, no vas a construir nada. Estás perdiendo tu tiempo."
Tajaddodianfar y Moheimani dijeron que el problema es el controlador.
"Hay un controlador de retroalimentación en el STM que mide la corriente y mueve la aguja hacia arriba y hacia abajo, "Moheimani dijo." Te estás moviendo de un átomo a otro, a través de una superficie irregular. No es plano. Por eso, la distancia entre la muestra y la punta cambia, al igual que la corriente entre ellos. Mientras el controlador intenta mover la punta hacia arriba y hacia abajo para mantener la corriente, no siempre responde bien, ni regula la punta correctamente. El movimiento resultante de la punta es a menudo inestable ".
Es el controlador de retroalimentación el que no protege la punta de chocar contra la superficie, Dijo Tajaddodianfar.
"Cuando las propiedades electrónicas varían en la superficie de la muestra, la punta es más propensa a chocar con los sistemas de control convencionales, ", dijo." Está destinado a ser realmente, realmente agudo. Pero cuando la punta choca contra la muestra, se rompe, se riza hacia atrás y se aplana.
"Una vez que la punta choca contra la superficie, olvídalo. Todo cambia."
La solución
Según Randall, Tajaddodianfar tomó medidas lógicas para crear la solución.
"La brillantez de Tajaddodianfar es que miró el problema y entendió la física del túnel entre la punta y la superficie, que hay una pequeña barrera electrónica que controla la velocidad de tunelización, "Dijo Randall." Descubrió una forma de medir la altura de la barrera local y ajustar la ganancia en el sistema de control que, de manera demostrable, mantiene la punta fuera de problemas. Sin ello, la punta simplemente golpea a lo largo, chocando contra la superficie. Ahora, se ajusta a los parámetros de control sobre la marcha ".
Moheimani dijo que el grupo espera cambiar su trayectoria cuando se trata de construir nuevos dispositivos.
"Eso es lo siguiente para nosotros. Nos propusimos encontrar la fuente de este problema, e hicimos eso. Y, hemos encontrado una solución. Es como todo lo demás en la ciencia:el tiempo dirá qué impacto tendrá nuestro trabajo, ", Dijo Moheimani." Pero creo que hemos resuelto el gran problema ".
