Diseñar e implementar un microscopio de efecto tunel y fuerza átomica (STM/AFM)en ultra alto vacio (UHV) a baja temperatura (LT) con un sistema óptico de espectroscopia Raman aumentada por punta (TERS) para estudiar la adsorción de moléculas y átomos en superficie, nanoestructuras metálicas, cúmulos metálicos y capas delgadas de aislantes. La óptica acoplada al microscopio a sonda local (SPM) se utilizará para obtener espectros vibracionales Raman de islas de moléculas o moléculas individuales. Esta máquina busca llevar a cabo estudios locales del aumento de espectroscopia Raman que puedan estudiarse, adémas de moléculas individuales, los factores que influyen en los espectros vibracionales mediciones que se realizan al ambiente o en líquidos de SERS (Surface Enhanced Raman spectroscopy) y TERS. Este proyecto de investigación busca continuar el desarrollo de una máquina que se planteó en el 2012 y que el proponente inicio desde su contratación buscando el financiamiento de CONACYT, el gobierno del distrito federal y apoyo de la UNAM. Actualmente se ha conseguido el financiamiento más importante para construirse y recientemente se ha recibido la mayor parte del equipo necesario para construir la máquina a lo largo del 2014. En este momento se lleva a cabo la implementación de las cámaras de preparación y de medición en UHV. Las nanoestructuras (NEs) metálicas constituyen la base sobre la que se desarrolla una nueva disciplina de la nanociencia llamada plasmónica, la que trata sobre el control de la interacción de la radiación electromagnética con los modos colectivos de oscilación de los electrones del metal, conocidos como resonancias plasmónicas localizadas (RPL). Esta interacción puede dar lugar a: distribuciones de campo electromagnético incrementadas, inhomogéneas, y confinadas en la nanoescala; a señales de dispersión incrementadas y a fuerzas sobre las NEs que permiten su nano-manipulación. La comprensión de estos efectos constituye el conocimiento clave para el desarrollo de espectroscopias incrementadas (Fluorescencia, Raman), transductores mediados por RPL, nanolitografía, filtros ópticos, guías de onda nanométricas, etc. Estos incrementos pueden ser tan grandes que el espectro Raman de una "molécula individual" puede ser detectado, posibilitando su utilización en una gran variedad de aplicaciones como (bio)sensores plasmónicos. Utilizaremos el aumento de espectroscopia Raman por punta (TERS - Tip Enhanced Raman spectroscopy) [1-3] para aumentar varios órdenes de magnitud la débil señal Raman de moléculas depositadas en substratos o nanopartículas metálicas separadas a una distancia nanométrica. Para nanoestructuras metálicas menores a 100 nm los plasmones localizados de superficie aumentan el campo electromagnético local entre la punta y la superficie, incrementando así la dispersión de fotones Raman inélasticos. TERS es un proceso similar al fenómeno conocido como Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) que puede realizar espectros de moléculas a bajas concentraciones, en donde ciertos puntos de la muestra tienen un aumento del campo eléctrico de la dispersión de radiación laser debido a la proximidad de dos nanoobjetos metálicos que forman una nanoantena, estos puntos se denominan "calientes" (hot-spots). La diferencia entre las dos técnicas es que TERS utiliza la punta nanométrica del SPM como un "hot spot" controlado que es posicionado por un piezoeléctrico en la superficie explotando las cualidades de visualización y medición tanto de fuerzas intermoleculares (AFM) como de tunelamiento de electrones (STM), mientras que SERS utiliza la deposición aleatoria de nanoestructuras metálicas en una solución o en una superficie. TERS es muy diferente a los métodos convencionales de espectroscopia Raman confocal que promedian una sección transversal de un sólido pero que ocultan la información local de la superficie. Queremos investigar diferencias en los espectros obtenidos entre SERS y TERS que no se han comprendido ampliamente. En mediciones recientes se han medido pequeñas diferencias espectrales en un mismo sistema plasmónico usando TERS y SERS. Esto sugiere que existe una diferencia entre los modos de propagación de polarización s y p de un sistema de dispersión en 2D (SERS) a un modo de propagación adicional en 3D inducido por la punta nanométrica del SPM (Microscopio a sonda local). Esto provoca un nuevo pico de intensidades y corrimiento de energía del espectro vibracional del mismo sistema, este fenómeno es un problema no ha sido comprendido. Llevaremos nuestro estudio a comparar resultados que se obtienen en un sistema de TERS al ambiente por medio de un SPM-TERS y uno en condiciones de ultra alto vacío y a baja temperatura, estos se complementarán por cálculos teóricos. Las mediciones en diferentes condiciones experimentales son de vital importancia para comprender los efectos de humedad y temperatura en el corrimiento de frecuencias y los picos de intensidad de los espectros Raman, así como la naturaleza físico-química de los radicales libres producidos por el fotoblinqueo (photobleaching) al excitar la molécula con radiación laser en presencia de oxigeno, este efecto destruye la constitución química de las moléculas orgánicas en períodos largos de integración del espectro que se observa por la aparición de carbono en los espectros Raman. Por otro lado en condiciones ideales de preparación y medición (ultra alto vacío) [3] se tiene una ausencia de moléculas de agua con líneas espectrales más estrechas, ausencia de photobleaching en tiempos largos de radiación y además se puede extender el estudio de la muestra a diferencias temperaturas a partir del ambiente hacia bajas temperaturas. No obstante de poseer condiciones ultralimpias de preparación en UHV, se pueden estudiar sistemas con moléculas orgánicas e inorgánicas individuales en varios regímenes de deposición desde fracciones de monocapas hasta multicapas.

Este proyecto contribuirá a comprender a la escala atómica y molecular la adsorción de átomos y moléculas así como su estructura electrónica, sus enlaces químicos y fuerzas intramoleculares que intervienen en su auto ensamblaje y la respuesta óptica de moléculas orgánicas. Ademas de los resultados científicos experimentales se contribuirá al desarrollo tecnológico del país de un sistema de microscopia a sonda local propio (homemade), ya que esta máquina no es comercial porque solo existen hasta el conocimiento del autor 4 prototipos en operación en el mundode los cuales el proponente ha tenido experiencia en el desarrollo de una de esas máquinas que actualmente opera en el Fritz-Haber Institute de Berlin.