Development of conductive SPM probes for applications in Biology

• Autores: Yigezu Mulugeta Birhane
• Directores de la Tesis: Joan Bausells Roigé (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2014
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Núria Barniol i Beumala (presid.), Manel Puig Vidal (secret.), Ramon Alcubilla González (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Física del estado sólido
      • Dispositivos de estado sólido
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología electrónica
      • Dispositivos semiconductores
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TESEO  DDD 
• Resumen

  • Se han desarrollado sondas de SPM conductoras y aisladas para la caracterización por microscopía de impedancia de barrido en medio ambiente líquido. Las sondas se han desarrollado debido a la necesidad de caracterizar dispositivos biosensores olfativos en el proyecto Europeo BOND. Hemos realizado desarrollos separados para sondas DC (para medidas eléctricas en corriente continua en modo de contacto) y sondas AC (para la medida de la respuesta alterna en modo dinámico). Hemos demostrado la fabricación mediante procesos de microfabricación estándar de sondas de SPM (vigas en voladizo con puntas tetraédricas integradas) conductoras y eléctricamente aisladas excepto en el extremo de la punta y en la zona de contacto eléctrico. El radio de la punta se ha medido a partir de la resolución de las imágenes topográficas y de técnicas de calibración eléctricas, mostrando ambas medidas un muy buen acuerdo, con valores en el rango de 30-50nm. Estos valores están de acuerdo con la especificación requerida por el proyecto BOND (radio de la punta menor que 100nm). La constante de fuerza de las sondas se ha calibrado mediante la técnica de la sintonización térmica. Los valores medidos están de acuerdo con las especificaciones requeridas en el proyecto BOND. Se ha medido el gradiente de capacidad entre las sondas y un substrajo conductor (grafito HOPG) en función de la distancia punta-substrato, utilizando un montaje con resolución de attofaradios. Estas medidas demostraron que la capacidad parásita entre las distintas partes de la sonda (viga, cono de la punta y sustrato de la sonda) y el substrato conductor se redujo a un valor no detectable tanto para las sondas DC como para las AC. Se ha medido también la deflexión estática de la viga de una sonda AC debida al acoplamiento capacitivo entre la sonda y el substrato, en función del voltaje DC aplicado manteniendo constante la distancia (500 nm). Las medidas mostraron que el acoplamiento capacitivo entre la sonda y el substrato conductor es mucho menor que el correspondiente a una sonda con la viga totalmente cubierta por metal, resultado que está de acuerdo con el diseño de las sondas. Hasta donde sabemos, estas son las primeras sondas de SPM conductoras y aisladas que se han fabricado con contribuciones de capacidad parásita muy reducidas respecto a las sondas convencionales. Se han realizado además experimentos de EFM y AFM túnel (TUNA) con las sondas AC. Se observó un muy buen acuerdo entre las imágenes de EFM y topográficas tomadas simultáneamente de nanoestructuras de óxido de silicio en silicio altamente dopado. Se observó una relación lineal entre la corriente TUNA y el voltaje DC aplicado entre la sonda y el substrato conductor. Estos resultados muestran el buen comportamiento eléctrico de las sondas. Se espera que la capa dieléctrica de las sondas minimice la conductancia parásita entre la viga de la sonda y las muestras en un medio líquido. Por ello se espera que las sondas AC puedan ser utilizadas para la caracterización eléctrica local de muestras con pequeña señal en ambiente líquido. En las sondas DC, al ser silicio el material de la punta, el óxido nativo bloqueó el contacto eléctrico entre la punta y el substrato conductor en las medidas de la corriente TUNA. Para abordar este problema se realizaron pruebas con siliciuros de titanio y de tántalo como capas conductoras en las sondas. Sin embargo las condiciones de grabado del nitruro de silicio (la capa dieléctrica usada en las sondas) disponibles tienen poca selectividad con estas capas de siliciuro. Se requerirían por tanto estudios adicionales para resolver este problema y poder fabricar sondas DC óptimas para la caracterización topográfica y eléctrica de muestras en ambiente líquido.