Study of atomic-sized structures using a STM with resonant forces detection

Abstract

Nanoscience is an interdisciplinary science that could be defined as the search and study of new properties (physical, chemical, etc..) that emerge as the size of materials is reduced down to nanometric scale (or nanoscale). A valuable tool for achieving this end is the Scanning Tunneling Microscope (STM). Since its invention by Binnig and Rohrer, the STM has become an essential tool for the characterization and manipulation at the nano-scale. Many other microscopes have been developed rooted in the STM, thus giving birth to the family of Scanning Probe Microscopes (SPM). One of the achievements of this work has been the design and calibration of a SPM which allows a simultaneous measurement of electron transport and mechanical properties (adhesion force and energy dissipation) of nanostructures, in varying conditions of temperature from 1.5K to room temperature. This microscope has a conducting tip fixed at one of the arms of a microfabricated quartz tuning fork used in the resonant detection of forces. This detection system was also implemented and tested on a commercial microscope operating in ultra high vacuum and low temperatures conditions. With the microscopes above electrical and mechanical properties of different nanostructures, including atomic size contacts, surface molecules, nano-capacitors and graphite, have been studied. It is also worth mentioning the experimental development of a new technique of local grapheme electro-exfoliation on graphite and its explanation by means of a theoretical model.

La nanociencia es una ciencia interdisciplinaria que podríamos definir como la búsqueda y estudio de nuevas propiedades (físicas, químicas, etc.) que emergen al reducir el tamaño de los materiales a la escala nanométrica. Un instrumento de gran valor para alcanzar este fin es el Microscopio de Efecto Túnel (STM). Desde su invención por Binnig y Rohrer, el STM se ha convertido en una herramienta esencial para la caracterización y la manipulación en la nano-escala. A partir del STM se han desarrollado otros microscopios generando así la familia de Microscopios de Sonda Local (SPM). Uno de los logros conseguidos en esta tesis de doctorado es el diseño y calibración de un SPM que permite hacer medidas simultáneas de transporte electrónico y propiedades mecánicas (fuerza de adhesión y disipación de energía) de nanoestructuras, en condiciones variables de temperatura desde 1.5K hasta temperatura ambiente. Este microscopio utiliza una punta conductora fijada en uno de los brazos de un diapasón de cuarzo microfabricado, para la detección resonante de fuerzas. Este sistema de detección fue también implementado y probado en un microscopio comercial que opera en condiciones de ultra alto vacío y bajas temperaturas. Con dichos microscopios se han estudiado las propiedades eléctricas y mecánicas diferentes nanoestructuras incluyendo contactos de tamaño atómico, moléculas en superficie, nano-capacitores y grafito. Es de destacar también el desarrollo experimental de una nueva técnica de electroexfoliación local de grafeno sobre grafito y su explicación por medio de un modelo teórico.