En este proyecto proponemos iniciar una línea de investigación en microscopía terahertz (THz), la primera en este tema en la UNAM y en el país. Proponemos desarrollar e implementar sondas de barrido THz de campo cercano originales a base líneas de transmisión planares, integrarlas con un microscopio de barrido de sonda y aplicarlas en la investigación de la interacción entre radiación y materia que permite formar imágenes con un alto contenido espectroscópico. Aunque las técnicas de caracterización terahertz representan una área de investigación muy activa a nivel internacional, la microscopía terahertz de campo cercano es un tema relativamente nuevo dentro de esta área, y existe la oportunidad de contribuir de manera fundamental en el desarrollo de nuevos tipos de sonda y en el estudio de los procesos electromagnéticos involucrados en su operación. Aquí se propone realizar sondas de barrido terahertz de diseño original. Esto se hará de manera colaborativa, combinando los antecedentes del responsable del proyecto en microscopía de barrido a frecuencias de GHz y THz del responsable, la experiencia del grupo de trabajo en circuitos de microondas y en óptica ultra-rápida necesarias en la generación de radiación terahertz, y los procesos de microfabricación electrónica implementados en dos proyectos anteriores por el responsable. De esta manera, se han creado las condiciones para que el grupo de trabajo implemente algunos de los primeros microscopios terahertz basados en microcircuitos planares a nivel mundial, estudie sus propiedades electromagnéticas, y contribuya al campo con trabajos de alto impacto. Específicamente, proponemos llevar a cabo simulaciones electromagnéticas para diseñar microcircuitos basados en líneas de transmisión con la funcionalidad de generar pulsos de radiación de entre 100GHz y 1THz. Se contempla integrar estas fuentes de radiación con sondas diseñadas para concentrar la radiación en escala sub-micrométrica en un mismo microcircuito, y utilizar este microcircuito para caracterizar la absorción de radiación en muestras de interés con resolución micrométrica. De esta forma se instrumentará un microscopio de terahertz de campo cercano basado en un circuito integrado, algo que aún no se ha reportado en la literatura. Con este microscopio, se estudiará en detalle la física del proceso de formación de imágenes en muestras metálicas, semiconductoras y biológicas. Los estudios detallados del mecanismo de interacción entre estas sondas y muestras se publicarán en revistas internacionales y el diseño de sonda tiene el potencial para formar una solicitud de patente. La participación integral de alumnos que ya forman parte del grupo de trabajo permitirá completar al menos una tesis de maestría y dos de doctorado. La contribución científica principal será en la creación de un nuevo tipo de sonda electromagnética para la microscopía terahertz en escala sub-micrométrica y la definición detallada de los parámetros físicos medidos por este tipo de sonda. Esto aportará una técnica de caracterización práctica para materiales semiconductores y biológicos en un rango del espectro electromagnético relativamente poco usado. Por instrumentar el primer microscopio terahertz en el país, se espera generar colaboraciones en el mediano y largo plazo para aplicarlo en áreas nuevas como la caracterización de dispositivos semiconductores y tejidos biológicos con el fin de explorar las capacidades de esta nueva técnica.

La presente propuesta plantea desarrollar sondas de barrido de diseño original y demostrar su uso en la caracterización de materiales y nanoestructuras. Esto implica el diseño y fabricación de sondas de campo cercano a frecuencias terahertz, integrarlas a sistemas de microscopía, y estudiar su interacción con varios tipos de muestra, incluyendo nanoestructuras fabricadas a medida. Como resultado de este proyecto, se espera contribuir en las áreas de microscopía terahertz con diseños instrumentales nuevos y con trabajos de investigación de alto impacto. Con esto, se planea introducir la primera línea de investigación experimental en ciencias y microscopía terahertz en la UNAM. Aunque el proyecto se enfoca en microscopía de barrido, su desarrollo implica la implementación de fuentes, sondas y sistemas de detección que tendrán un impacto más amplio: las técnicas experimentales implementadas se seguirán usando a largo plazo en la UNAM, y abrirán oportunidades para formar nuevas líneas de investigación en temas terahertz. En particular, se fabricarán las primeras fuentes terahertz fotoconductivas en el país, se fabricarán varias sondas de barrido con alta resolución espacial y se integrarán las dos cosas para instrumentar microscopios de barrido a estas frecuencias. Las fuentes de radiación terahertz incorporarán nuevos diseños de antena que representará una contribución original al campo. Estas fuentes serán disponibles a otros grupos para su uso en técnicas como la espectroscopía terahertz y pueden servir para impulsar programas de investigación más amplios. La realización de los dos tipos de sonda terahertz propuestos resultará en contribuciones originales en forma de desarrollos tecnológicos y también en investigación básica. Desde una perspectiva de investigación, la microscopía terahertz es un campo relativamente nuevo, y existe una oportunidad importante para contribuir en el campo. Debido a la escasez de trabajos reportados sobre sondas planares para microscopía terahertz, el estudio de las propiedades electromagnéticas de estas sondas y de su interacción con diferentes tipos de material y nanoestructura, empezando con las nanoestructuras metálicas mas sencillas, producirá resultados originales en la física aplicada. A largo plazo, la contribución mas predecible de estos trabajos será en la fundación teórica y en las técnicas experimentales necesarias para el uso provechoso de la microscopía terahertz como técnica analítica. Desde una perspectiva más amplia, los métodos de caracterización terahertz tienen un gran potencial para distinguir propiedades físicas en materiales semiconductores, y de distinguir concentraciones de agua y otro material orgánico en tejidos biológicos. La microscopía terahertz es relativamente desconocida por la falta de desarrollo de técnicas efectivas de microscopía. Con este proyecto, se tiene el objetivo de crear instrumentos de microscopía terahertz con un entendimiento físico detallado de su funcionamiento, para poder en un futuro impulsar proyectos que introducen la técnica a un rango más amplio de investigadores.