آشنایی با روش میکروسکوپ تونلی روبشی:
Scanning Tunneling Microscope یا STM
1. مقدمه
میکروسکوپ پروبی روبشی، در طی دو دهه‌ی بعد از اختراعش، در آزمایشگاه‌ها و صنایع مختلف از ذخیره اطلاعات مغناطیسی تا بیولوژی ساختاری کاربرد گسترده‌ای یافته است. در نتیجه کاربران این روش از زیست شناسان و پژوهشگران پزشکی تا فیزیکدانان و مهندسین از قدرت تفکیک بی رقیب و به کارگیری نسبتاً آسان این روش بهره مند می‌شوند. میکروسکوپ پروبی روبشی می‌تواند نقشه سطح مواد جامد را با قدرت تفکیک اتمی تهیه کند و نه تنها ساختار سطوح کریستالی کامل، بلکه توزیع نقایص نقطه‌ای، ناخالصی‌های جذب شده در سطح و عیوب ساختاری را آشکار سازد. امروزه میکروسکوپ پروبی روبشی به دلیل توانمندی در انجام آزمایشات موضعی که با تک اتم ها یا مولکول ها قابل انجام است، به ابزار ضروری در حوزه‌ی نانو تبدیل شده است. اندازه‌گیری نیروی پیوندهای شیمیایی یگانه یا طیف اپتیکی تک مولکول‌ها، مثال‌هایی از این گونه کاربردها هستند. علاوه بر این، می‌توان از پروب موضعی برای جابه‌جایی اتم‌ها یا مولکول‌ها و بنابر این تشکیل ساختار‌های مصنوعی در مقیاس اتمی استفاده نمود. میکروسکوپ پروب روبشی یا SPM عبارتی کلی برای مجموعه ای از تکنیک‌ها که سطح ماده را با قدرت تفکیکی در مقیاس نانومتری و یا حتی کمتر از انگستروم روبش کرده و تصاویر توپوگرافی یا نقشه‌هایی از یک خاصیت فیزیکی یا شیمیایی سطح ماده را تهیه می‌کند.
STM اولین تکنیک تصویرسازی از گروه میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است که در سال 1981 در آزمايشگاه تحقيقاتی شرکت IBM توسط بینیگ و روهرر اختراع شد و مخترعان آن در سال 1986 همراه با ارنست روسکا که از جوانی روی ميکروسکوپ‌های الکترونی کار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد برنده جايزه نوبل فيزيک شدند.
ميكروسكوپ روبشي تونل زني دستگاهي است كه براي بررسي ساختار و برخي از خوص سطوح مواد رسانا و مواد بيولوژيكي كه تا حدي رسانا هستند و همچنين لايه‌هاي نازك نارسانا كه روي زير لايه رسانا، در حد ابعاد نانومتري لايه نشاني شده اند بكار مي‌رود.
2. نحوه‌ی عملکرد دستگاه میکروسکوپ تونلی روبشی
در میکروسکوپ تونلی روبشی، سطح نمونه بوسیله سوزنی نوک تیز، بنام تیپ یا پروب روبش میشود. نوک یک پروب سالم و ایده آل، بسیار تیز بوده، بطوریکه در نوک آن تنها یک اتم جای می‌گیرد؛ بنابراین از حساسیت بسیار بالایی برخوردار است و به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود می‌تواند در حد نانومتر، کوچکترین پستی یا بلندی ها را در سطح نمونه آنالیز نماید و با استفاده از تجهیزات و نرم افزارهای موجود در دستگاه، داده های بدست آمده را بصورت تصویر بر نمایشگر نمایش دهد.
هرگاه فاصلة يك سوزن تيز رسانا از يك سطح رسانا حدود چند آنگستروم باشد و اختلاف ولتاژی به آن اعمال شود، جريان الكتريكي حدود چند نانوآمپر بين سوزن و سطح برقرار مي‌شود. شدت اين جريان متناسب با فاصله دو سطح است.
در ميکروسکوپ تونل زنی پيمايشگر اگر در حين تونل زنی جريان ثابت باشد تغييرات فاصله نوک تا نمونه اطلاعات سطح را به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. اگر هم فاصله نوک و نمونه ثابت نگه داشته شود، تغييرات جريان تونل زنی اطلاعات سطح را خواهد داد. اينکه از کدام مد يا حالت استفاده شود به شرايط نمونه و خواسته‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ربط دارد. معمولاً در حالتی که سطح نمونه نامنظم باشد از مد جريان ثابت استفاده میشود و زمان بيشتری را به نسبت مد ارتفاع ثابت لازم دارد.نحوه کار میکروسکوپ جریان روبشی براين اساس است كه وقتي يك نوك پروب فلزي در نزديكي يك نانومتري يك سطح رسانا قرار گيرد و ولتاژ كمي به نوك پروب اعمال شود، جريان الكتريكي بين نوك و نمونه به جريان خواهد افتاد. (جهت جريان بستگي به ولتاژ اعمال شده دارد). لغت " تونل‌زني" مربوط به يك اثر مكانيك كوانتومي به همين نام است كه بيان مي‌كند كه چگونه ممكن است الكترونهايي با انرژي بسيار كم از فاصله مابين اين دو سطح عبور كنند. الكترونها اين مسافرت خود را با تونل زدن در ميان سد بزرگ پتانسيل انجام مي‌دهند.
جريان تونل‌زني به شدت تابع فاصله نمونه و نوك است. درصورتي كه نوك پروب تنها يك آنگستروم (1/0 نانومتر) عقب كشيده شود، جريان به يك دهم خود كاهش مي‌يابد. با زير نظر گرفتن جريان تونل‌زني توسط يك مدار فيدبك در هنگام اسكن كردن نمونه، محققين مي‌توانند پروب را در ارتفاع معيني بالاي نمونه نگهدارند. حركات ظريف بالا - پايين و عرضي نوك توسط قطعات پيزوالكتريك، كنترل و به كمك كامپيوتر ثبت مي‌شود. اطلاعات سه بعدي حاصله را به صورت نقشه‌هاي از ارتفاعات مي‌توان نمايش داد.
STM دارای دو مد عملکرد متفاوت است:
- مد ارتفاع ثابت
- مد جریان ثابت
نمایش مدهای ارتفاع و جریان ثابت در میکروسکوپ تونلی روبشی.
در مد ارتفاع ثابت سوزن در یک صفحه افقی در بالای نمونه حرکت می کند و جریان تونلی بر حسب توپوگرافی سطح و خواص الکترونی موضعی نمونه تغییر می کند. جریان تونلی اندازه گیری شده در هر نقطه از سطح نمونه در تشکیل تصویر توپوگرافی مشارکت می کند.
در مد جریان ثابت STM از مدار بازخورد برای ثابت نگه داشتن جریان تونلی استفاده می کند. این کار با تنظیم ارتفاع روبشگر پیزو در هر نقطه اندازه گیری صورت می گیرد. برای مثال وقتی که سیستم افزایش جریان تونلی را حس می کند، ولتاژ اعمال شده به روبشگر پیزو الکتریک را به گونه ای تنظیم می کند که فاصله بین سوزن و نمونه را افزایش دهد.
کاتالوگ دستگاه STM:
تصاویر دستگاه STM:
تصاویر گرفته شده با دستگاه STM:
مجموعه تصاویر لیتوگرافی با دستگاه STM:
منحنی‌های اسپکتروسکوپی دستگاه STM:
