El microscopio de túnel de barrido (STM) se utiliza ampliamente en la investigación industrial y fundamental para obtener imágenes a escala atómica de superficies metálicas. Proporciona un perfil tridimensional de la superficie que es muy útil para caracterizar la rugosidad de la superficie, observar los defectos de la superficie y determinar el tamaño y la conformación de moléculas y agregados en la superficie. Ejemplos de investigación avanzada utilizando el STM son proporcionados por estudios actuales en el Grupo de Física de Electrones en el NIST y en los Laboratorios IBM. Varios otros microscopios de escaneo recientemente desarrollados también utilizan la tecnología de escaneo desarrollada para el STM.
La nube de electrones asociada con átomos metálicos en una superficie se extiende a una distancia muy pequeña sobre la superficie. Cuando una punta muy afilada, en la práctica, una aguja que ha sido tratada de manera que un solo átomo se proyecte desde su extremo, se acerca lo suficiente a dicha superficie, hay una fuerte interacción entre la nube de electrones en la superficie y la del átomo de punta, y una corriente de túnel eléctrico fluye cuando se aplica un voltaje pequeño. Con una separación de unos pocos diámetros atómicos, la corriente de túnel aumenta rápidamente a medida que disminuye la distancia entre la punta y la superficie. Este cambio rápido de corriente de túnel con la distancia da como resultado una resolución atómica si la punta se escanea sobre la superficie para producir una imagen.
Russell D. Young, de la Oficina Nacional de Estándares, fue la primera persona en combinar la detección de esta corriente de túnel con un dispositivo de escaneo para obtener información sobre la naturaleza de las superficies metálicas. El instrumento que desarrolló entre 1965 y 1971, el Topografiner, alteró la separación entre la punta y la superficie (z) de modo que, a voltaje constante, la corriente de túnel (o, a corriente constante, el voltaje de túnel) se mantuvo constante a medida que la punta se escaneaba sobre la superficie. Se registraron las coordenadas x, y y z de la punta. (Para detalles del diseño y funcionamiento del Topografiner, ver las referencias dadas en la Bibliografía.) El mismo principio se utilizó más tarde en el microscopio de túnel de barrido. La barrera restante para el desarrollo de ese instrumento era la necesidad de un aislamiento de vibraciones más adecuado, a fin de permitir un posicionamiento estable de la punta por encima de la superficie. Este difícil problema en el diseño mecánico fue superado por el trabajo de Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, Laboratorio de Investigación de IBM, Zúrich, Suiza, quienes en 1986 compartieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento de la resolución atómica en microscopía de túnel de barrido. En su anuncio del premio, la Real Academia Sueca de Ciencias reconoció los estudios pioneros de Russell Young.
Bibliografía
R. D. Young, Rev. Sci. Instrum. 37, 275 (1966). R. D. Young, Physics Today 24, 42 (Nov. 1971). R. Young, J. Ward, and F. Scire, Phys. Reverendo Lett. 27, 922 (1971). R. Young, J. Ward, and F. Scire, Rev. Sci. Instrum. 43, 999 (1972).