Substrato con una capa de oro (111) y procedimiento para su preparación.

Un substrato con un punto de fusión comprendido entre 1300ºC y 1600ºC con una capa de micromonocristales de oro (111), dichos micromonocristales presentan terrazas con una área comprendida entre 1.5-10.0 micras al cuadrado y una rugosidad menor que 1 A. Este substrato se fabrica por un procedimiento de preparación que comprende las etapas de deposición de una capa de oro esputerizado y un tratamiento térmico del oro depositado. Los substratos son útiles como soportes para microscopia, como biosensores y como electrodos

Sustrato con una capa de oro (111) y procedimiento para su preparación.

La presente invención está relacionada con sustratos con una capa de oro (111) y con los procedimientos de preparación de dichos sustratos. Estos sustratos se usan en el campo de la microscopia como soportes de muestra y en otras técnicas de rastreo o analíticas, permitiendo así alcanzar una buena resolución y/o sensitividad.

Estado de la técnica

Las monocapas autoensambladas (SAM) en superficies sólidas se han investigado ampliamente. Las monocapas autoensambladas son superficies que consisten en una única capa de moléculas en un sustrato. En lugar de tener que usar una técnica como la deposición química en fase vapor o el crecimiento epitaxial de haz molecular para añadir moléculas a la superficie (a menudo con un pobre control en el grosor de la capa molecular), las monocapas autoensambladas se pueden preparar simplemente con la adición de una solución de la molécula deseada encima de la superficie del sustrato y lavar el exceso.

Fenómenos de las monocapas autoensambladas como la adsorción, adhesión, humedad o fricción hace que estas monocapas sean importantes en aplicaciones industriales como la inhibición de la corrosión, sensores de gases, lubricantes para sistemas micromecánicos (MEMS) o biomoldes. Además, la inmovilización de moléculas biológicas en superficies proporciona una nueva vía para estudios en el comportamiento de estructuras biológicas como las proteínas y células. Las monocapas autoensambladas son también la base para sofisticadas arquitecturas biomoleculares de gran interés tecnológico, como pueden ser dispositivos biosensores o materiales funcionalizados biológicamente.

La mayoría de estos estudios se han llevado a cabo con la ayuda del Microscopio de Fuerzas Atómicas (AFM). Pero el uso del AFM requiere que las estructuras autoensambladas puedan ser fijadas firmemente en un sustrato adecuado en unas áreas grandes, homogéneas y atómicamente planas. La manera más versátil y usada para enlazar entidades biológicas a una superficie es usando la ampliamente conocida interacción fuerte entre los grupos tioles y el oro.

Se han descrito diferentes procedimientos para preparar superficies de oro de baja rugosidad con grandes terrazas. El procedimiento más ampliamente usado es la deposición en vapor de oro encima de mica recién clivada en condiciones de ultra alto vacío seguido de un tratamiento térmico. Las temperaturas y los tiempos de deposición y el tratamiento térmico pueden variar dependiendo del procedimiento usado. En los procedimientos para preparar las mencionadas superficies Au (111) ultraplanas, el oro se hace crecer epitaxialmente sobre mica, pegado encima de un sustra- to como silicio o vidrio y, finalmente, la mica es arrancada, dejando así expuesta la primera capa de oro evaporado.

Hay otros procedimientos para preparar superficies de oro planas que no implican la evaporación de oro, como por ejemplo usar un monocristal Au (111) y hacer un pulido electroquímico, o el procedimiento de fundición del extremo de un cable de oro en una llama de hidrógeno para formar una bola que tiene planos Au (111) a lo largo de su región ecuatorial. El plano (111) del oro es el más compacto, el mas estable y el de menor energía, siendo adecuado como sustrato gracias a su estabilidad y a ser inerte.

Así, tal y como se expone anteriormente, las superficies de oro atómicamente planas son ideales para obtener imágenes de capas adsorbidas usando técnicas de rastreo por sonda, como el microscopio de fuerzas atómicas o el microscopio de efecto túnel (STM). Las superficies planas son esenciales para distinguir la capa adsorbida de la muestra o compuesto donde se ha depositado.

La evaporación en vacío de oro sobre vidrio, silicio o mica constituye la alternativa más extensamente usada para obtener superficies de oro, siendo la mica la preferida, ya que proporciona una superficie altamente plana útil para el crecimiento expitaxial de la capa de oro evaporada. Se necesita un tratamiento térmico posterior para asegurar que sea plana.

En Nogués C et al. "A rapid approach to reproducible, atomically flat gold films on mica", Surface Science, 2004, vol. 573 L383-L389, se describe un procedimiento para la preparación de capas de oro sobre mica con grandes terrazas atómicamente planas (111). En este procedimiento, se muestra una etapa de tratamiento térmico donde se introduce un sustrato de mica con una fina capa de oro depositada mediante evaporación en la base de un tubo de tratamiento térmico a 650ºC durante 1 minuto, mientras el tubo se purga continuamente con nitrógeno. Luego el tubo se eleva unos 5 cm (480ºC) y se mantiene así durante otro minuto adicional. Finalmente el sustrato tratado térmicamente (o muestra oro-mica) se deja enfriar durante 3 minutos.

La mayoría de los procedimientos basados en la evaporación permiten la obtención de superficies de oro de baja rugosidad usando mica como molde o sustrato, aprovechando su superficie atómicamente plana. Durante o después de la deposición de oro, se realiza un tratamiento térmico para reorganizar o estabilizar el estrés presente en la nueva capa. Como que la mica tiene una estabilidad mecánica muy baja frente a la temperatura, este tratamiento térmico tiene que realizarse bajo unas condiciones muy suaves y en consecuencia la deposición de oro resulta ser la etapa más determinante del procedimiento, siendo la evaporación de oro la única vía posible para depositar la capa de oro con resultados satisfactorios.

A pesar que existen varios procedimientos para obtener superficies de oro de baja rugosidad, la mayoría de ellos implican capas de oro evaporadas, y esto requiere, como mínimo, instrumentación compleja y cara. Además, no se garantiza que los resultados sean siempre satisfactorios, ya que hay muchos parámetros que pueden influenciar en las características finales de la superficie, como la velocidad de evaporación, la temperatura del sustrato, la temperatura del tratamiento térmico, el tiempo de evaporación, etc.

Otra alternativa es el uso de monocristales de Au. Estos sustratos son muy caros, y requieren un tratamiento electroquímico y un pulido electroquímico previo para exponer preferencialmente los planos (111), teniendo unas áreas planas máximas de alrededor de 300 nm². Debido a su elevado precio, es difícil realizar varios experimentos en paralelo (ya que esto implicaría tener varios sustratos), y los sustratos deben manejarse con extremo cuidado, y se tienen que reciclar haciendo complejos ciclos de pulido y tratamiento térmico.

Además, la mayoría de las superficies de oro o sustratos con capas de oro obtenidos con los procedimientos mencionados anteriormente, a pesar de llamarse superficies planas, presentan una rugosidad (de unos 3 nm) y una visión de su sección longitudinal muestra perfiles con escalones de diferentes alturas. Así, el monocristal de oro no tiene realmente terrazas aisladas sino terrazas continuas a diferentes alturas. Una terraza es definida en el campo de las superficies de materiales como un banco de material elevado que constituye una supeficie, el cual tiene unas caras verticales o inclinadas y una parte superior plana.

Por otra parte, si se requiere una gran área plana, los procedimientos mencionados anteriormente son incapaces de obtener sistemáticamente grandes áreas atómicamente planas mayores de 300 nm², como se indica más abajo.

Así, existe la necesidad de proporcionar superficies de oro realmente atómicamente planas, principalmente Au (111), y al mismo tiempo con una procedimiento de fabricación de los sustratos que conlleve una producción de bajo coste y un producto final barato.

Explicación de la invención

Los inventores han desarrollado un sustrato mejorado teniendo un punto de fusión mayor que 1300ºC, con una capa de microcristales de oro (111) que presentan terrazas aisladas con una gran área, siendo la capa de oro una superficie de oro realmente plana. Los inventores han encontrado que usando este sustrato que permite alcanzar temperaturas del orden del punto de fusión del oro, y usando una curva de temperaturas especifica para incrementar la cristalinidad del oro depositado previamente sobre el sustrato, se obtienen superficies de oro realmente planas que presentan terrazas con un valor de rugosidad menor que 1 Å.

El uso del sustrato de la presente invención significa una mejora en la precisión del análisis de muestras depositadas en la superficie de las terrazas de oro debido a...

1. Sustrato con un punto de fusión entre 1300ºC y 1600ºC con una capa de micromonocristales de oro (111), dicha capa de micromonocristales de oro (111) tiene un difractograma de rayos X que presenta picos característicos a aproximadamente 4.0 y 8.0 grados 2 theta, y presenta terrazas, donde al menos un 20% de dichas terrazas tienen una área comprendida entre 1.0 - 10.0 µm² y una rugosidad igual o menor que 1 Å.

2. Sustrato de la reivindicación 1, donde dicha capa de micromonocristales de oro (111) presenta el difractrograma de rayos X de la Fig. 2A.

3. Sustrato según cualquiera de las reivindicaciónes 1-2, observado con Microscopio de Fuerzas Atómicas topográficamente y en modo amplitud en imágenes como el de la Fig. 1.

4. Sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde el sustrato con un punto de fusión entre 1300ºC y 1600ºC es un monocristal de silicio seleccionado del grupo consistente en silicio (111), silicio (100) y nitruro de silicio.

5. Sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde las terrazas tienen un área comprendida entre 2.0 - 7.0 µm².

6. Sustrato según la reivindicación 5, donde las terrazas tienen un área comprendida entre 3.0 - 5.0 µm².

7. Sustrato según alguna de las reivindicaciones 1-6, donde dicha capa de micromonocristales de oro (111) están discontinuamente distribuidos encima del sustrato como terrazas independientes, por lo que el sustrato no es conductor eléctrico.

8. Sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde dicha capa de oro (111) comprende micromonocristales de oro (111) y una capa de oro amorfo dispuesta entre dichos micromonocristales, constituyendo una capa de oro ininterrumpida, dando lugar a un sustrato eléctricamente conductor.

9. Procedimiento de preparación de un sustrato como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1-8, que comprende los pasos de: