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Desenvolvimento de um microscópio de varredura por tunelamento operado em ultra alto vácuo.

Rafael Lopes de Souza 08 March 2013 (has links)
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Inventado no início dos anos 1980, o STM evoluiu para uma importante ferramenta na investigação das propriedades de superfícies e interfaces, com aplicações em várias áreas da ciência além da Física, como Ciências de Materiais e Química. O presente trabalho trata da microscopia de tunelamento, que se baseia no fenômeno do tunelamento quântico dos elétrons. No STM, a distância entre ponta e a amostra é reduzida até que as funções de onda dos elétrons na ponta e na superfície da amostra se sobreponham. Nessa situação, observa-se o fenômeno do tunelamento quântico de elétrons através da barreira formada entre os dois eletrodos (ponta e amostra). Como o valor da corrente de tunelamento é fortemente dependente da distância ponta-amostra, um microscópio STM pode ser utilizado para mapear a morfologia da superfície da amostra com alta resolução espacial. Além disso, outra importante capacidade do STM é a possibilidade de atuar no modo espectroscópico (STS). Por vezes, o estudo detalhado das propriedades de um sistema requer o uso de métodos não convencionais de microscopia STM. Um exemplo é o estudo do magnetismo de nanoestruturas por microscopia de tunelamento com resolução em spin (SP-STM). A implementação destes métodos não convencionais normalmente exigem recursos experimentais específicos, nem sempre disponíveis em equipamentos comercias. A versatilidade no controle das características funcionais do equipamento foi a principal razão que nos motivou a construir o microscópio STM. No primeiro capitulo faremos uma introdução geral ao tema da dissertação. Uma breve introdução ao método de STM será dada no capítulo 2, incluindo aspectos fundamentais do tunelamento quântico, bem como sua aplicação técngeralica. O capítulo 3 descreve o estudo das propriedades eletrônicas e magnéticas do grafeno preparado sobre a superfície vicinal Ni(977). O magnetismo observado na camada de grafeno induzido por um substrato ferromagnético é de grande interessante para o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos. Relatamos a investigação das propriedades de uma monocamada de grafeno preparada sobre de Ni(977) por CVD, utilizando a microscopia de varredura por tunelamento (STM), dicroísmo circular magnético de raios-x (XMCD) e espectroscopia de fotoelétrons (XPS). No capítulo 4, apresentamos o detalhamento do projeto de construção de um STM para operar em ambiente de ultra alto vácuo (UHV). Características do STM como isolamento de vibração, desenho mecânico, sistema de varredura e processo de preparação de pontas são discutidos. Por fim, analisamos os resultados dos testes de operação no microscópio STM, dificuldades observadas ao longo do projeto e possíveis melhorias. / Invented in the early 1980s, STM has evolved into a standard tool to investigate the properties of surfaces and interfaces, with applications in various research fields, such as physics, material sciences and chemistry. The present work deals with scanning tunnelling microscopy, which refers to the quantum phenomenon of electron tunneling through a potential barrier. The distance between a conductive probe tip and sample is reduced until the electron wave functions of tip and sample surface have significant overlap, and electrons can tunnel through the vacuum barrier. As the so-detected tunneling current is strongly distance-dependant, it can be used to map the morphology of the sample surface with a resolution which goes far beyond the actual meaning of the term microscopy. Besides its unique spatial resolution, one strength of the STM is the possibility to perform local electronic spectroscopy. STM has evolved into a standard tool to investigate the properties of surfaces and interfaces, with applications in various research fields besides physics, such as material sciences, chemistry, or biology. Nevertheless, the detailed study of materials properties requires the use of non-conventional methods of STM microscopy. One example is the study of magnetism in nanostructures by spin polarized scanning tunneling microscope (Sp-STM). The implementation of such unconventional methods typically requires specific experimental features, not always available in commercial equipment. This versatility in controlling the functional characteristics of the equipment was one of the main reasons that motivated us to design and build our own STM microscope. A general introduction to the dissertation theme is presented in chapter 1. In chapter 2, a brief discussion about the method of STM is developed, including theoretical aspects on quantum tunneling. In chapter 3, the experimental study of electronic and magnetic properties of the graphene/Ni(977) is shown. The recent observation of magnetism in graphene layers induced by a ferromagnetic substrate is a very interesting issue and can impact the design of new carbon-based spintronic devices. Here we report on the investigation of the electronic and magnetic properties of the graphene/Ni(977) by using scanning tunneling microscope (STM), x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In chapter 4, it was described the project and construction of a homemade STM operated in ultrahigh vacuum (UHV) condition. We discuss the details of main STM-UHV components: main and sample preparation chambers, STM head, tip scanner, and sample holder design. Characteristics of the mechanical and electronic design, vibration isolating system, tip and sample preparation are discussed. Finally, we report the results of testing experiments as well as discuss the encountered difficulties and some possible solutions.

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