[روش های شناسایی نانوساختارها] - میکروسکوپ‌های پروبی روبشی

[P O U R I A]

روش های شناسایی نانوساختارها » میکروسکوپ‌های پروبی روبشی
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------



1- SPM : معرفی میکروسکوپ های پروبی روبشی#2
2-STM : میکروسکوپ تونلی روبشی#12
3- AFM : میکروسکوپ نیروی اتمی#24
4- MFM : میکروسکوپ نیروی مغناطیسی#30
5- SNOM : میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک#41

 

[P O U R I A]

معرفی میکروسکوپ های پروبی روبشی

معرفی میکروسکوپ های پروبی روبشی

میکروسکوپ های پروبی روبشی(SPM) به مجموعه گسترده ای از تکنیک ها گفته می شود که روبش سطح توسط یک پروب با قدرت تفکیک نانویی و حتی آنگسترومی انجام شده و تصاویر توپوگرافی یا نقشه هایی از یک خاصیت ویژه از سطح مواد ارائه می گردد. اختراع میکروسکوپ پروبی روبشی، باعث تاثیر شگرفی بر توسعه فناوری نانو شده، و امکانات جدیدی جهت طراحی سیستم های نانویی ایجاد نموده است. در مجموعه مقالات میکروسکوپ های پروبی روبشی ضمن معرفی هر دستگاه، تاریخچه، نحوه عملکرد، کاربردها، معایب و مزایای هر روش مورد بررسی قرار می گیرد.

 

[P O U R I A]

1- مقدمه
امروزه اهمیت شناسایی و بررسی مواد و سیستم ها با استفاده از میکروسکوپ های پروبی روبشی، در فناوری های پیشرفته و تحقیقات ، بعنوان یک بخش غیر قابل اجتناب مطرح می باشد. در طی بیست سال اخیر، میکروسکوپهای پروبی روبشی (SPM)، از یک تکنیک ناشناخته به ابزار تحقیقاتی موفق و گسترده جهت بررسی خواص سطحی، مبدل گشته است[1]. در یک نگاه، میکروسکوپ پروبی روبشی عنوان جامعی برای مجموعه گسترده ای از تکنیک هاست، که توسط یک پروب (probe) (سوزن (tip))، سطح مواد را با قدرت تفکیکی تا مقیاس نانو و حتی آنگستروم، روبش (scan) می کند و تصاویر توپوگرافی، یا نقشه هایی از یک خاصیت ویژه از سطح مواد ارائه می دهد [2].


2- تاریخچه
در سال 1981 میلادی ، میکروسکوپ تونلی رویشی (STM= scanning tunneling microscope) بعنوان اولین عضو از خانواده میکروسکوپ های پروبی روبشی بوسیله دو تن از محققین سوئیسی بنامهای گرد کارل بینیگ (GerdKarl Binnig) و هاینرک رورر (Heinrich Rohrer)، در آزمایشگاه تحقیقاتی زوریخ IBM، اختراع شد [2, 3]. با وجود چند اختراع نسبتا مشابه در زمینه ساخت میکروسکوپهای پروبی روبشی در آن ایام، این دو دانشمند درسال 1986 جایزه نوبل فیزیک را به جهت این اختراع دریافت نمودند.
در همین سال، بینیگ میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) را نیز با همکاری کلوین کوات (CalvinQuate ) وکریستف گربر (ChristophGeber) از دانشگاه استنفورد معرفی نمود.
تولیدات تجاری SPM با میکروسکوپ های STM در سال 1987 میلادی و میکروسکوپ های AFM، در 1989 میلادی کلید خورد. به دنبال اختراع STM و سپس AFM، تلاش های بسیاری جهت مطالعه مورفولوژی و ساختار سطوح و فصل مشترک آن ها صورت گرفت [4] و در بازه کوتاهی از زمان، میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM)، میکروسکوپ نیروی الکتریکی (EFM)، میکروسکوپهای نوری میدان نزدیک روبشی (SNOM) ، بصورت پیشرفته تر از قبل، و بسیاری دیگر از ابزارهای شناسایی با مبانی مشابه درعملکرد، تحت عنوان کلی میکروسکوپهای پروبی روبشی ساخته و به جهان علم عرضه گردید.
با معرفی و عرضه انواع میکروسکوپ های پروبی روبشی، بسیاری از تصاویر شگفت آور علمی در جهان منتشر شد که دریچه باز به درون جهان مقیاس نانو گشود. با آگاهی از پتانسیل بالای این روش ها، محققین اقدام به توسعه تحقیقات خود و بدست آوردن بیشتر اطلاعات و آگاهی از مواد، ساختارها و مکانیزم های مطرح در مقیاس نانو نمودند[4]. در جدول1، رویدادهای اساسی در روند توسعه و پیشرفت میکروسکوپ های پروبی روبشی به اختصار بیان شده است.

 

[P O U R I A]

جدول1- رویدادهای اساسی در روند توسعه و پیشرفت میکروسکوپهای پروبی روبشی[1]

 

[P O U R I A]

3- انواع میکروسکوپهای پروبی روبشی
خانواده تجهیزات مبتنی بر STM ها و AFM ها که تحت عنوان کلی میکروسکوپهای پروبی روبشی(SPM)، نامیده می شوند، به منظور کاربردهای گسترده ای در حیطه های علمی و صنعتی توسعه یافته اند. این میکروسکوپ ها شامل اول STM، دوم AFM و نیز (LFM یا FFM) ، میکروسکوپ نیروی الکتروستاتیکی روبشی (SEFM) از [6،5]، میکروسکوپ صوتی نیرویروبشی(SFAM) (یا میکروسکوپ صوتی نیروی اتمی (AFAM)از [7-12]، میکروسکوپ مغناطیسی روبشی(SMM) (یا میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM)از [16-13]، میکروسکوپ نوری میدان نزدیک روبشی (SNOM) از [20-17]، میکروسکوپ حرارتی روبشی(SThM)از [21-23]، میکروسکوپ الکتروشیمیایی روبشی(SEcM) از[24]، میکروسکوپ پروبی کلوینی روبشی(SKPM)از[29-25]، میکروسکوپ پتانسیل شیمیایی روبشی(SCPM)از [22]، میکروسکوپ هدایت یونی روبشی (SICM)از [31،30] و میکروسکوپ ظرفیتی روبشی(SCM)از [25، 32-34] و ... هستند.

گاهی به گروهی از تجهیزات و دستگاههایی که نیروها را اندازه میگیرند (همانند AFM، FFM، SEFM، SFAM وSMM)، میکروسکوپ نیرویی سطحی (یا روبشی)، (SFM) نیز گفته می شود[34]. برخی نامهای رایج در مطالعه میکروسکوپهای پروبی روبشی در جدول2، ذکر شده اند.


جدول2- برخی نامهای رایج در مطالعه میکروسکوپهای پروبی روبشی[35, 36]

 

[P O U R I A]

4- مقایسه میکروسکوپ های پروبی روبشی با میکروسکوپ های مرسوم
در تکنیک میکروسکوپ های پروبی روبشی، مشابه سایر روشهای آنالیز روبشی (همچون میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM))، سطح نمونه روبش می شود و با اندازه گیری و پردازش سیگنال های بدست آمده از نقاط مختلف سطح روبش شده، تصویر تشکیل می گردد. قدرت تفکیک و بزرگنمایی میکروسکوپ های پروبی روبشی، بهتر از میکروسکوپ های الکترونی متداول است و امکان تهیه تصاویر سه بعدی از اتمها را فراهم می آورد. علاوه بر تهیه تصویر، این تکنیک ها توانایی جابجایی اتمها و قابلیت بررسی طیف وسیعی از مواد سخت، نرم، رسانا ، نیمرسانا، نارسانا، مغناطیسی و .... را دارند.
بر خلاف اغلب میکروسکوپهای الکترونی متداول که به خلاء و آماده سازی نمونه نیاز دارند، میکروسکوپ های پروبی روبشی علاوه بر خلاء، در هوا و یا زیر سطح مایع و با حداقل آماده سازی نمونه (و گاهی بدون نیاز به آماده سازی)، کار می کنند[2]. مقایسه میکروسکوپ های نوری، الکترونی و هم کانون با میکروسکوپهای پروبی روبشی در جدول3، نشان داده شده است[35].




جدول3-مقایسه میکروسکوپ های نوری، الکترونی و هم کانون با میکروسکوپ های پروبی روبشی[35]

 

[P O U R I A]

در ادامه ...............


پس از آشنایی با انواع مختلف میکروسکوپ های روبشی در مقاله نخست، در مقاله حاضر به کاربردهای متنوع و اجزاء متفاوت این تجهیزات پرداخته خواهد شد. با وجود تفاوت های موجود بین روش های مختلف، شباهتهای کلی و ساختاری بین مجموعه بزرگ این خانواده قابل مشاهده است. بهره گیری از همین شباهت ها و تفاوتها است که منجر به ابداع سیستم های جدید می گردد.

 

[P O U R I A]

1- کاربردهای میکروسکوپهای پروبی روبشی
شناسایی و بررسی مواد با استفاده از میکروسکوپ های پروبی روبشی (SPM= scanning probe microscopy)، از جمله تکنیکهای تحقیقاتی قدرتمند و مدرن است که اجازه می دهد که مورفولوژی و خواص موضعی سطوح مختلف با تفکیک پذیری فضایی ( spatial resolution) بالا در حد نانومتر، انجام پذیرد[1].
میکروسکوپ پروبی روبشی، ابزاری کلیدی برای ترسیم توپوگرافی(پستی و بلندی های) سطوح و نمایاندن تغییرات خواص فیزیکی و شیمیایی ساختارهایی نظیر ساختارهای مولکولی، در بازه مقیاسی از صدها میکرومتر تا محدوده نانومتر، است. ساده ترین نقشه ای که میکروسکوپ پروبی روبشی ایجاد می کنند، همین نقشه توپوگرافی سطح است.
علاوه بر این نقشه های دیگری هم قابل دستیابی است که مناطقی از سطح را که بصورت فیزیکی یا شیمیایی از سایر نقاط متمایز هستند، نشان داده و اطلاعاتی از خواص الکتریکی، مغناطیسی، نوری، مکانیکی و... ارائه می دهند[2, 37].
از آنجائیکه میکروسکوپ های پروبی روبشی، امکان تحقیق و دستکاری سطوح تا مقیاس اتمی را فراهم می آورند، عموما با علوم و فناوریهای مربوط به مقیاس نانو بشدت گره خورده اند و در نتیجه برای ایجاد الگوهای نانومتری روی سطوح، یا مشخص کردن نانو مکانیزم های مصنوعات کمپلکس و آرایه ها ی طبیعی بکار می روند. بنابراین گزینه مطلوبی در جهت ساخت و بررسی و بهبود نانومواد و نانوابزارها محسوب می شوند.
به موازات کشف مکانیزم ها و برهمکنش های پیچیده در خلقت اجزاء ریز مواد، میکروسکوپهای پروبی روبشی، بطور فزاینده ای در بسیاری از زمینه ها کاربرد پیدا کردند. به علاوه مشتقات گوناگونی از این روش ها جهت کاربردهای ویژه، توسعه یافتند [4, 35].
حوزه کاربرد این میکروسکوپ محدوده‌های میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی را نیزشامل می‌شود و در مطالعه خواص سطحی نمونه‌ها از سطح اتمی تامیکرومتری و نانومتری نیز استفاده می گردد. از جمله کاربردهای ویژه میکروسکوپ‌های SPM می‌توان بررسی خواص فیزیکی، هدایت الکتریکی، توزیع بار الکتریکی- استاتیکی، تمرکز تنش، میدان‌های مغناطیسی، مدول الاستیسیته، ریزسختی سنجی و .... را نام برد.
در حال حاضر، بویژه در تحقیقات انجام شده در زمینه فیزیک سطح و فناوری های لایه نازک، استفاده روزافزون تکنیکهای (SPM)، به خوبی قابل مشاهده است. به علاوه، بررسی مواد با استفاده از میکروسکوپهای پروبی روبشی، زیربنای توسعه روشهای نوینی در فناوری نانو گردیده است که از آن جمله می توان به فناوری تولید ساختارهای دقیق و پیچیده در مقیاس نانومتری اشاره کرد [1].
میکروسکوپ پروبی روبشی در محدوده جانبی (در جهت X و Y)، تصویربرداری از چند صد میکرومتر تا چند ده پیکومتر را پوشش می دهد و می تواند نقشه سطوح مواد جامد را با قدرت تفکیک اتمی تهیه کند که نه تنها ساختار سطوح کریستالی کامل، بلکه توزیع عیوب نقطه ای، ناخالصی های جذب شده در سطح و عیوب ساختاری را آشکار می سازد.
امروزه میکروسکوپ های پروبی روبشی، بدلیل توانمندی در انجام آزمایشات موضعی که با تک اتمها یا تک مولکولها قابل انجام است، به ابزار ضروری کار در حوزه نانوتبدیل شده اند. اندازه گیری نیروی پیوندهای شیمیایی یگانه یا طیف نوری تک مولکولها، مثالهایی از اینگونه کاربردها هستند. بعلاوه، میتوان از پروب موضعی جهت انجام نانولیتوگرافی، نوشتن در مقیاس نانو(شکل1)، جابجایی اتمها یا مولکولها و در نتیجه ایجاد ساختارهای مصنوعی در مقیاس اتمی استفاده نمود [2, 37].

شکل1- نمونه ای از امکان جابجایی اتمها جهت ایجاد تصویر با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی​

از موضوعات اولیه چالش برانگیز در بکارگیری SPMها به منظور مطالعه پدیده های موضعی الکتروستاتیکی و الکترومکانیکی، مشخصه یابی و آنالیز کمی سیگنال های بدست آمده است. در حقیقت یک تصویر SPM معمولی، با بیان اطلاعات و مشخصاتی نظیر اختلاف پتانسیل، فعالیت الکتروشیمیایی سطح، تصویر نحوه توزیع ظرفیت الکتریکی و یا پتانسیل در ترانزیستورها، امکان مطالعه خواص سطحی را بصورت کمی فراهم می آورند [1].

 

[P O U R I A]

بکارگیری تکنیکهای SPM، از همان ابتدا بر روی توانایی بالای آنها در تصویردهی مطلوب از نمونه ها متمرکز شد و بر مبنای همین توانایی در سالهای اخیر، تحقیقات و مطالعات فیزیکی و شیمیایی برهمکنشهای موجود بین سوزن و سطح نمونه و همچنین آنالیزهای کمی تریبولوژیکی، الکترونیکی، مغناطیسی، بیولوژیکی و شیمیایی سطوح بر پایه SPMها، بین محققان محبوبیت فزاینده ای یافته است [2].

این موضوع به اثبات رسیده است که SPMها نه تنها امکان تصویربرداری را فراهم می آورند بلکه افزون بر آن، امکان کنترل و اصلاح ساختار موضعی و بکارگیری مواد را در سطوح اتمی و نانو فراهم می آورند [1].
انعطاف پذیری حالت های کاری میکروسکوپ پروبی روبشی، امکان کسب آمار و پردازشهای پویا را در شرایط محیطی متفاوت، نظیر محیطهای گازی، مایع و خلاء ممکن می سازد.
مزایای فراوانی از میکروسکوپ های پروبی روبشی، نظیر وجود سادگی در حالات مختلف کاری در عین قابلیت کاربرد در انواع مختلفی از نمونه ها، بازه وسیعی از کاربردها را در پیش چشم محققان گشود. کاربردهایی که هر یک موجب رشد علم مواد در جهان نانو مقیاس می شد[3].

دو دهه اخیر، شاهد رشد شتابان بکارگیری تکنیکهای SPM، در طیف وسیعی از زمینه های علمی، از فیزیک ماده چگال، شیمی و علم مواد گرفته تا زیست شناسی و پزشکی است. بطوریکه اغراق نیست اگر گفته شود، توسعه علم و فناوری نانو در این دو دهه، با بکارگیری تکنیکهای SPM و توسعه سوزنهای نوین، بشدت رونق یافته است.

به موازات توسعه تکنیکهای SPM محیطی مرسوم، پیشرفت قابل توجهی در توسعه سیستمهای فوق خلاء با قدرت تفکیک بالا(UHVSPM)، صورت پذیرفت که در عین افزایش کیفیت تصاویر، با دشواری هایی در آماده سازی نمونه و عملکرد میکروسکوپ نیز همراه هستند [1].

این تکنیکها به همراه دهها تکنیک مشابه، پدیدار شده اند تا توانایی دسترسی و دستیابی به خواص موضعی الکتریکی، مغناطیسی، شیمیایی، مکانیکی، نوری و حرارتی مواد و انجام مطالعات بروی پدیده هایی نظیر زبری، چسبندگی، اصطکاک، سایش، سختی و میزان نیروهای پیوندی را در مقیاس نانومتری تأمین نمایند [1].

2- برخی از اجزاء مهم در میکروسکوپ های پروبی روبشی
میکروسکوپ های پروبی روبشی از اجزا متفاوتی تشکیل شده است، که شامل موارد زیر می باشد:


6-1- حسگر(sensor) :
بمنظور بررسی یک خاصیت سطحی ویژه، انواع گوناگونی از حسگرها را می توان برای یک پروب استفاده نمود که به تبع آن، ممکن است تجهیزات الکترونیکی خاصی نیز جهت تجهیز دستگاه نیاز باشد. در اینجا باید خاصیت اندازه گیری شده را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کرد، آنگاه امکان تبدیل این خواص بصورت اطلاعات الکترونیکی برای کنترل و پردازش آنها، در میکروسکوپهای پروبی روبشی فراهم می شود.

6-2- روبشگر(scanner):
قسمت روبشگر دستگاه از قسمت های روبشگر پیزو، مجموعه انبرک (cantilever) و سوزن، سیستم آشکارساز لیزری حساس به موقعیت انبرک و سوزن و در مواردی یک تقویت کننده تشکیل شده است.
روبشگر توسط یک سه پایه از جنس آلیاژ فلزی مخصوص با حداقل انبساط و انقباض حرارتی بروی یک پایه یا میز نصب می شود. این پایه به لاستیک های جاذب انرژی (Rubber vibration dampers) ، مجهز است. وقتی که پایه بر روی میز و در محلی غیرقابل ارتعاش قرار گیرد، می تواند اندازه گیری های تکرارپذیر در جهات X، Y وZ و با جزئیات بسیار دقیق را انجام دهد[4, 5]. روبشگر بطور فیزیکی، حسگر را نگه می دارد و امکان حرکت روبشی را در طول روبش سطح نمونه تأمین می کند.
در اغلب موارد، روبشگر می تواند حسگر را در هر سه جهت حرکت دهد. خود روبشگر با اجزاء پیزوالکتریکی ساخته شده است [6].

 

[P O U R I A]

6-2-1- پیزوالکتریکها
امکان روبش سطح نمونه با قدرت تفکیک بالا، از پارامترهای مهم در میکروسکوپ های پروبی روبشی محسوب می شود که توسط مواد پیزوالکتریک میسر می گردد. این مواد، نوعی سرامیک هستند که در صورت اعمال ولتاژ و متناسب با جهت و میزان آن، تغییر طولی از مرتبه یک آنگستروم می دهند. از این مواد برای جابجاییهای بسیار دقیق استفاده می شود. در میکروسکوپ های پروبی روبشی اولیه، سه میله پیزوالکتریکی عمود برهم، عامل روبشگر (scanner) را تشکیل می دهد، که اعمال ولتاژ به هر یک از این سه میله، باعث تغییر طول آن و در نتیجه انحراف سوزن در راستاهای X، Y و یا Z ، می شود.
در میکروسکوپ های پروبی روبشی نوین، روبش سطح توسط استوانه پیزوالکتریکی توخالی انجام می شود که بر سطح داخلی آن لایه نازکی از یک فلز رسانای الکتریسیته( مانند نیکل) پوشش داده شده و در سطح خارجی آن چهار نوار فلزی نشانده شده است. سوزن نیز به استوانه متصل گردیده است.
اعمال ولتاژ با جهت و مقدار یکسان به هر چهار الکترود خارجی (نسبت به الکترود داخلی) باعث انبساط و درنتیجه پایین آمدن استوانه و سوزن متصل به آن یا انقباض و بالا رفتن آنها می شود. همچنین اعمال ولتاژ با علامت های مخالف به الکترودهای متقابل (مثلا X و X-)، سبب خم شدن استوانه می گردد که در واقع شامل حرکت در صفحه X و Y و در جهت Z است.

با کنترل نحوه اعمال ولتاژ به پیزوالکتریک توسط نرم افزار دستگاه، می توان سوزن را به دلخواه در هر سه جهت حرکت داد. سیستم الکترونیکی دستگاه، امکان کنترل این حرکت را با دقت 0.1 آنگستروم فراهم می آورد[4, 7]. شکل 2، از نظر ظاهری، قطعات پیزوالکتریکی رایج در میکروسکوپهای پروبی روبشی را نشان می دهد.

​

شکل2- الف)براساس خاصیت موادپیزوالکتریک، ولتاژ اعمالی، قطعه پیزو را بلندتر یا کوتاهتر می کند. ب)ترکیب سه قطعه پیزو امکان حرکت پروب را در سه جهت فضایی فراهم می کند. ج)در میکروسکوپهای پروبی روبشی نوین، از استوانه هندسی توخالی استفاده می شود [4, 7]​

زمانیکه یک ولتاژ مشخص به این اجزاء پیزوالکتریکی اعمال می شود، این اجزاء منبسط و منقبض می گردند. اکثر میکروسکوپهای پروبی روبشی، ولتاژ خروجی بالایی را برای حرکت روبشگر ایجاد می کنند، که معمولا روبشگر می تواند پروب را فراتر از محدوده چند هزار آنگستروم، با کسری از یک آنگستروم در قدرت تفکیک حرکت دهد.

6-3- سیستم کنترل بازخوردی(The feedback control):
اگر سطح نمونه، ناهموار باشد، احتمال برخورد و شکستن پروب دستگاه بسیار زیاد است. در این حالت یک کنترل بازخوردی نیاز است تا فاصله مناسب بین سوزن و نمونه را در طول روبش همواره حفظ کند. برای اطمینان از نزدیکی مقادیر اندازه گیری شده دستگاه با مقدار پیش فرض ، همواره مدار کنترل کننده با فرستادن سیگنالهای الکتریکی، روبشگر را کنترل می کند. برای این منظور، اغلب میکروسکوپ های پروبی روبشی، دارای یک مدار بازخورد استاندارد هستند.

 

[P O U R I A]

6-4- سیستم دستیابی سریع(نزدیک شدن درشت گونه، The coarse approach):
روبشگرهای پیزوالکتریک تنها حرکت های چند هزار آنگسترومی را تأمین می کنند. تمام سیستم های میکروسکوپی پروبی روبشی، برای تأمین حرکت ها و جابجایی های بزرگ، دارای یک سیستم نزدیک شدن و دستیابی سریع هستند تا پروب بتواند با اطمینان تا حد امکان به نمونه نزدیک شود.
طراحی های بسیار متفاوتی از سیستم نزدیک شدن درشت گونه وجود دارد. بیشترین نوع تجاری شده آن، ماشینهای مکانیکی با ترکیبی از فنرهای متغیر، پیچهایی با رزوه بسیار ریز و اهرم ها هستند. موتورهای پیزوالکتریکی نیز معمولا در میکروسکوپی پروبی روبشی نوین استفاده می شوند [6]. شکل3، مؤلفه های اصلی در SPM ها را نشان می دهد.

شکل3- شماتیک نشان دهنده مؤلفه های اصلی در SPM ها. در این مثال سیستم بازخوردی برای حرکت عمودی حسگر بمنظور حفظ یک سیگنال ثابت استفاده می شود. جابجایی عمودی حسگر، به عنوان داده های توپوگرافیکی در نظر گرفته می شوند[6].​

6-5- دوربین CCD (Chargecoupled device)
پایه روبشگر به دوربین CCD، مجهز است که می تواند خود مستقیما به عنوان یک میکروسکوپ با بزرگنمایی تقریبی 300 برابر استفاده شود. تصویر نوری دوربین CCD، بر روی صفحه نمایشگر رایانه، نشان داده شده و برای انتخاب محل مورد نظر روبش روی سطح نمونه به کار می رود.

6-6- سیستم پردازش و نرم افزار
در میکروسکوپ های پروبی روبشی، سیگنال های بدست آمده ناشی از حرکت سوزن، با عبور از سیستم تقویت کننده اولیه یا به طور مستقیم به قسمت کنترل کننده که حاوی مدارات الکترونیکی با ارتعاشات کم هستند وارد شده و پس از تقویت و پردازش اولیه جهت تشکیل تصویر به رایانه فرستاده می شود. نرم افزار نصب شده بر روی کامپیوتر سیگنالهای خروجی از قسمت کنترل کننده را پردازش نموده و به تصویر تبدیل می کند. در عین حال نرم افزار امکان پردازش و اندازه گیری سه بعدی را بروی تصویر حاصله فراهم می نماید [4, 5]. شکل4، عملکرد میکروسکوپ های پروبی روبشی را بطور خلاصه نشان می دهد.

شکل4- عملکرد میکروسکوپهای پروبی روبشی[8]​

 

[P O U R I A]

میکروسکوپ تونلی روبشی

میکروسکوپ تونلی روبشی

در تقسیم بندی میکروسکوپ های پروبی روبشی، اولین میکروسکوپی که مورد بحث قرار خواهد گرفت، میکروسکوپ تونلی روبشی می باشد. در این مقاله ضمن بیان اصول دستگاهی، نحوه عملکرد آن، و مدهای کاری قابل استفاده توضیح داده می شوند. با توجه به پدیده کوانتومی تونل زنی، برخی روابط محاسباتی حوزه مذکور نیز مطرح می گردد. همچنین در این مقاله به معرفی کلیات مطرح در این دسته از میکروسکوپ ها پرداخته خواهد شد.

 

[P O U R I A]

1- مقدمه
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 می گیرد؛ 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[1, 2].

2- تاریخچه
میکروسکوپ تونلی روبشی (STM= scanning tunneling microscope)، اولین عضو در خانواده میکروسکوپ های پروبی روبشی بشمار می آید. این میکروسکوپ در سال 1981 میلادی بوسیله دو تن از محققین سوئیسی بنام های گرد کارل بینیگ (GerdKarl Binnig) و هاینرک رورر (Heinrich Rohrer )، در آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت IBM شهر زوریخ سوئیس اختراع شد. آنها توانستند با مهار نوسانات خارجی و فراهم آوردن امکان حرکت سوزن، در فاصله بسیار نزدیک از سطح نمونه، دو مشکل کلیدی در تصویرسازی مقیاس نانو با پروب را حذف نموده و نشان دهند که این وسیله، راهکار تقریبا ساده و مؤثری جهت مطالعه سطوح ارائه می دهد[1, 3-5].
تکنیک ارائه شده توسط آنها پس از به تصویر کشیدن ساختار اتمی تعدادی از مواد، از جمله سطح احیاء شده سیلیکون، مورد تأیید و تصدیق قرار گرفت، بطوریکه در سال 1986 میلادی، به جهت اختراع میکروسکوپ تونلی رویشی، هر دو محقق، موفق به کسب جایزه نوبل فیزیک گردیدند. میکروسکوپ تونلی رویشی در آن زمان، اولین ابزاری بود که قادر به ایجاد تصاویر سه بعدی از سطوح جامد با تفکیک پذیری و دقت اتمی بود [5, 6].

 

[P O U R I A]

3- دامنه کاربرد میکروسکوپ تونلی رویشی
میکروسکوپ تونلی روبشی، تنها می تواند جهت مطالعه سطوحی که از لحاظ الکتریکی رسانایی قابل قبولی دارند، مورد استفاده واقع شود[7, 8]. این میکروسکوپ ‌ها در بازه وسیعی از بزرگنمایی ها از 103 تا 109 در جهات X,Y وZ، جهت تصویر برداری و ایجاد تصویر از مقیاس میکرو تا ابعاد اتمی با رزولوشن (resolution ) (قدرت تفکیک) بالا و یا به عنوان ابزار طیف نگاری ((scanning tunneling spectroscopy) طیف نگاری روبشی جریان تونلی ) استفاده شده اند[9]. همچنین این ابزارها می توانند در هر محیطی، از قبیل محیطهای معمولی[10-18]، اتمسفر[19, 20]، گازهای گوناگون[21]، مایعات[22-24]، خلاء[6, 25]، دماهای پایین( پایین تر 100 کلوین)[4, 22, 26-28] و نیز در دماهای بالا[23, 24] مورد استفاده واقع شوند.
تصویر برداری در مایعات امکان مطالعه نمونه های زنده زیستی را فراهم می آورد و زمانیکه تصویر برداری نمونه های آبی در اتمسفر معمولی انجام می گیرد، نیروهای موئینگی موجود در فصل مشترک نمونه و سوزن را حذف می کند. زمانیکه نمونه های زیستی یا آلی یا پدیده های دمای پایین از قبیل ابررسانایی یا چگالی بار الکتریکی مطالعه می شوند، تصویربرداری دمای پائین ( دماهای محدوده هلیوم مایع)، مفید خواهد بود. همچنین تصویر برداری در دمای پایین، بدلیل کاهش نوسانات دمایی، جهت به تصویر کشیدن نیروها، با حساسیت بالا، سودمند می باشد.
به علاوه جهت تصویربرداری سیالاتی از قبیل کریستالهای مایع و مولکولهای روانساز (lubricant molecules) روی سطوح گرافیتی، از این روش استفاده شده است [6, 25-27].
شکل 1 تصویر میکروسکوپ میکروسکوپ تونلی روبشی سطوح دو نمونه نیکلی و پلاتینی را به خوبی نشان می دهد.

شکل1- تصویر میکروسکوپ میکروسکوپ تونلی روبشی الف) سطح نیکل ب)سطح پلاتین[29]​

همچنین در ایجاد خصیصه های ویژه در مقیاس نانو از طریق گرم کردن موضعی یا القای واکنش های شیمیایی در زیر سوزن از طریق نانوماشینکاری (nanomachining)، از میکروسکوپ STM بهره گرفته شده است[30-33]. در جدول1، برخی مواد بررسی شده توسط STM تحت شرایط مختلف به عنوان نمونه معرفی شده است[34].

جدول1- برخی مواد بررسی شده توسط STM تحت شرایط مختلف[34]

​

 

[P O U R I A]

4- سیستم دستگاهی میکروسکوپ تونلی رویشی
بطور کلی لوازم دستگاهی در STM، شامل موارد زیر می شوند:
• نگهدارنده نمونه
• سوزن و مجموعه مرتبط با آن
• کنترل کننده الکترونیکی
• رایانه جهت کنترل کننده الکترونیکی
• نرم افزار جهت پردازش تصویر[35]
میکروسکوپ های تونلی روبشی از یک سوزن (پروب) تیز برای روبش استفاده می کنند. یک ولتاژ بایاس مناسب( 10 میلی ولت تا یک ولت)، بین سوزن (بعنوان قسمتی از مدار الکتریکی) و سطح نمونه (قسمت دیگر مدار الکتریکی) اعمال می شود. وقتی که سوزن به فاصله کمتر از 10 آنگستروم (معمولا حدود 0.3 تا 1 نانومتر) از سطح نمونه قرار داده شد، الکترونها بر اساس پدیده ای کوانتومی، به نام تونل زنی (tunneling) ، از نمونه به اتمهای سوزن یا بالعکس(بسته به جهت ولتاژ بایاس) جریان می یابند، بطوریکه بیش از 90% جریان تونلی از انتهایی ترین اتم سوزن به نمونه(ویا بالعکس) جاری می گردد (شکل2)[2, 4].

در این حالت جریان تونلی از 0.2nA تا 10nA تغییر کرده و سوزن روی سطح، عملیات روبش را انجام می دهد[3-5, 36].
شکل2 شماتیک برهمکنش سوزن و نمونه و برقراری جریان تونلی در فاصله آنگسترومی سوزن از سطح نمونه را نشان می دهد.

شکل2- شماتیک برهمکنش سوزن و نمونه و برقراری جریان تونلی در فاصله آنگسترومی سوزن از سطح نمونه. بیش از %90 جریان الکترون از انتهایی ترین اتم سوزن جاری می گردد[2, 4].​

از آنجا که جریان تونلی یک تابع حساس به پهنای شکاف d می‌باشد، با تغییر فاصله سوزن تا نمونه تغییر می کند و به عنوان سیگنالی برای تصویرسازی STM استفاده می شود[3].

شکل3- برقراری جریان تونلی در فاصله و ولتاژ مناسب[37]​

 

[P O U R I A]

در یک دستگاه معمولی (شکل4)، به منظور روبش سطح، سوزن فلزی به کمک فعال کننده های پیزوالکتریک قائم الزاویه و عمود برهم ، در سه جهت حرکت می کند. در این حالت، برهمکنش کوتاه برد که رزولوشن مطلوب را می دهد، توسط این پروب موضعی دریافت می شود. نمونه از طریق شناوری مغناطیسی ابررسانا (superconducting magnetic levitation ) یا یک سیستم فنر دو مرحله ای، جهت دستیابی به یک فاصله پایدار (پهنای شکاف) بین پروب وسطح، نصب می گردد. پروب نیز سطح مورد مطالعه را روبش کرده و مقادیر اندازه گیری شده، در سیستم ثبت می گردد. در این بین، یک سیستم بازخورد ( feedback)، ارتفاع پروب را تغییر داده تا جریان الکتریکی ثابت بماند. کنترل کننده الکترونیک، پروب را در فاصله مربوط به جریان تونلی از پیش تعیین شده، تنظیم می کند. این فاصله توسط یک کامپیوتر به عنوان تابعی از موقعیت جانبی (lateral ) ثبت می شود. جابجایی پروب دراثر ولتاژ اعمالی به پیزوالکتریک، نهایتا سیگنالهای تهیه نقشه توپوگراف یک سطح را در نرم افزار دستگاه ایجاد می کند تا پس از پردازش رایانه ای، درنمایشگر بصورت تصویر حاصله از نمونه، ظاهر گردد.

باید توجه داشت، از آنجا که پایداری مکانیکی زیاد دستگاه، پیش شرط اندازه گیری موفقیت آمیز در مقیاس اتمی است، بنابراین ضروری است دستگاه STM دارای ساختاری صلب و از نظر ارتعاشات ایزوله باشد تا بتواند محل قرارگرفتن سوزن روی سطح نمونه را با دقت اتمی و بصورت تکرارپذیر تعیین نماید [2-5, 36].

شکل4- طرح شماتیک اجزاء اصلی میکروسکوپ تونلی روبشی. یک روبشگر پیزوالکتریک xyx سوزن را روی سطح حرکت می دهد. میتوان از یک مدار بازخورد برای ثابت نگه داشتن جریان تونلی استفاده نمود[38].​

 

[P O U R I A]

در ادامه .......


در مقاله گذشته به معرفی میکروسکوپ تونلی روبشی، ساختمان دستگاهی و قابلیت های آن پرداخته شد. در این نوع میکروسکوپ محاسبات مربوط به ساختار الکترونی و پدیده هایی نظیر جریان تونلی، پیچیدگی های خاص خود را دارد. در این مقاله ضمن معرفی ساختمان پروب ها، به جریان تونلی و برخی مخاسبات مطرح در آن پرداخته خواهد شد.

 

[P O U R I A]

1- ساختمان پروب های STM
پروب های STM معمولا شامل یک کانتیلور همراه با یک سوزن فلزی تیز جهت به حداقل رساندن نوسانات موجی می باشد. بصورت ایده آل، سوزن باید تیز باشد، اما در عمل اکثر روش های تهیه سوزن، یک سوزن با مقطع عرضی خشن تولید می کنند که شامل ناهمواری های متعددی است که نزدیکترین آنها به سطح نمونه، مسئول تونل زنی خواهد بود.
سوزنهای تیز کانتیلور، معمولا از جنس فلزی ساخته می شوند، که شامل فلزات تنگستن(W)، طلا(Au) و آلیاژهای پلاتین-ایریدیم(Pt-Ir) است و معمولا بوسیله روشهایی نظیر سایش ( grinding)، برش (cutting)، روشهای نشر میدانی (field emission ) یا روشهای تبخیری (evaporation )، سایش یونی (ion milling) ، شکستن (fracture)، پرداخت الکتروشیمیایی (Electrochemicalpolishing )و یا اچ کردن الکتروشیمیایی (Electrochemicaletching)تیز می شود [39, 40]. در این بین بیشترین نوع سوزن های مورد استفاده شامل Pt-Ir 80/20 و سیم تنگستنی است.
سوزنهای Pt-Ir، عموما بصورت ماشینی و مکانیکی شکل دهی شده و تهیه می شوند این در حالی است که سوزن های تنگستنی نیز از سیمهای تنگستنی اچ شده با فرآیندی الکتروشیمیایی حاصل می شوند.
بطور کلی، سوزن های Pt-Ir، نسبت به سوزن های تنگستنی، رزولوشن اتمی بهتری را تأمین می کنند که دلیل آن واکنش پذیری کمتر پلاتین است. با این وجود سوزن های تنگستنی از نظر شکل، یکنواخت تر هستند و روی نمونه هایی با شیبهای تند، امکان عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند. با وجودی که سوزنهای آلیاژ Ir-Pt و W، بسیار تیز بوده و رزولوشن بالایی را ایجاد می کنند، ولی شکننده و ترد بوده و گاهی در برخورد با سطح می شکنند. در تحقیقات بعمل آمده، سوزنهای الماسی نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. این سوزنها بوسیله کاشت یون بور، رسانا شده اند[3].
قطر سیم تنگستنی مورد استفاده برای کانتیلور معمولا 250µm ، شعاع انحنایی آن 20 تا 100 نانومتر و زاویه نوک مخروطی آن بین ̊10 تا ̊60 است. اگر نیاز باشد، سیم می تواند در دستگاه، به شکل حرف L خم شود.
پروبهای Pt-Ir با نسبت ظاهری بالا و هندسه کنترل شده تهیه شده به روش اچ الکتروشیمیایی، بصورت تجاری جهت به تصویر کشیدن حفرات و شیارهای کوچک و عمیق فراهم شده اند.
همچنین، پروب هایی که حاوی یک سوزن با شعاع کمتر از 50 نانومتر هستند، جهت به تصویر کشیدن شیارهای عمیق( 0.25µm<) و خواص و اشکال نانومقیاس استفاده می شود. جهت مطالعات حیطه الکتروشیمی، پروبهای Pt-Ir با یک فیلم نارسانا پوشانده می شوند.

 

[P O U R I A]

2- جریان تونلی
اصل تونل زنی الکترون ابتدا توسط ایوار گیور (IvarGiaever )برنده جایزه نوبل 1973، مطرح شد [1]. او چنین تصور کرد که اگر یک اختلاف پتانسیل به دو فلزی که توسط یک فیلم نازک عایق از هم جدا شده اند، اعمال شود، بدلیل توانایی نفوذ الکترون در سد پتانسیل موجود، جریانی ایجاد خواهد شد. برای اینکه محاسبه جریان تونلی ایجاد شده، امکان پذیر باشد، دو فلز نمی بایست بیش از 10 نانومتر از هم فاصله داشته باشند[2]. برهمین اساس بنیگ و همکارش [3] تونل زنی خلاء آمیخته با روبش افقی را مطرح کردند، چرا که خلاء، سد ایده آلی برای تونل زنی تأمین می کند.
بطور کلی جریان تونلی یک اثر مکانیک کوانتوم با دو اثر مهم برای STM است:
اول: این جریان بین دو الکترود، حتی از میان لایه نازکی از عایق یا شکاف نازکی از خلاء برقرار می شود.
دوم: این جریان در مقیاس طول در حد شعاع یک اتم، افت می کند.
در STM، جریان تونلی از آخرین اتم نوک سوزن به تک اتم های روی سطح نمونه جریان یافته و به این ترتیب، رزولوشن اتمی را فراهم می کند[4]. اگر ساختار الکترونی یک فلز را طبق شکل5- الف، در نظر بگیرید، الکترون های فلز تمامی ترازهای انرژی قابل دسترس پایین انرژی EF را اشغال کرده اند.
برای اینکه یک الکترون فلز را ترک کند، لازم است تا مقدار زیادی از انرژی φ بالاتر از انرژی فرمی (EF) (Fermi energy) بدست آورد. این انرژی الکترون را به تراز خلاء می رساند. انرژی φ بعنوان تابع کار فلز معرفی می شود.

شکل5- نمودار سطوح انرژی الکترون در برقراری جریان تونلی بین دو فلز سوزن و سطح: الف) درسطوح انرژی الکترون تا انرژی مخصوصی بنام انرژی فرمی پر شده اند. ب)در فاصله مشخصی بین سطح و سوزن، الکترون ها در انرژی فرمی برای گذار نیازمند غلبه بر سد پتانسیلی هستند[5].​

شکل5- ب، موقعیت یک سوزن و نمونه را در هنگامیکه در مجاورت یکدیگر قرار دارند، نشان می دهد. بین این سطوح ، تنها ناحیه باریکی از فضا وجود دارد، اما هیچ ارتباط و رسانشی بین آنها ایجاد نمی شود.
الکترون ها برای حرکت از نمونه به سوزن و یا برعکس، هنوز به انرژی افزونتری (بالاتر از انرژی فرمی) نیاز دارند. بر اساس مکانیک کوانتوم طبق فرآیند تونل زنی، الکترون ها می توانند از میان سد موجود عبور کنند. در STM ، سد توسط شکاف خلاء بین نمونه و سوزن ایجاد می شود[5, 6]. شکل6 عبور موج از میان یک سد انرژی با اعمال ولتاژ بایاس را نشان می دهد.

شکل6- عبور موج از میان یک سد انرژی با اعمال ولتاژ بایاس کافی[7]​

در منطقه ممنوعه کلاسیک، تابع موج ψ بصورت نمایی مطابق با رابطه زیر افت میکند:

​

در اینجا m جرم ذرات و [SUP]34-[/SUP]10×1.05= ħ میباشند[4, 6].

 

[P O U R I A]

مطابق شکل7، زمانیکه یک ولتاژ الکتریکی V، بین نمونه و سوزن اعمال می شود، پدیده تونل زنی منجر به ایجاد جریانی الکتریکی موسوم به «جریان تونلی» می گردد.

​

شکل7- نمودار سطوح انرژی الکترون در برقراری جریان تونلی بین دو فلز سوزن و سطح: در فاصله و انرژی کافی، الکترون ها امکان تونل زنی می یابند.​

جریان مذکور به فاصله سوزن و نمونه (d)، ولتاژ(V) و ارتفاع سد (یا همان تابع کار (φ))، بستگی دارد و بصورت رابطه تقریبی زیر بیان می شود:

​

این رابطه به صورت تقریبی نشان می دهد که جریان تونلی از قانون اهم تبعیت می کند به گونه ای که جریان (I)، با ولتاژ(V)، متناسب است و بصورت نمایی به فاصله (d)، بستگی دارد. سایر مقادیر در رابطه فوق، مربوط به تابع کار (φ)، بارالکترون(e)، جرم الکترون (m) و ثابت پلانک (ħ) هستند. برای تابع کاری با میزان معمول 4 الکترون ولت(eV)، جریان تونلی، به ازاء هر 1/0 نانومتر افزایش در مقدار d، به میزان 10 برابر کاهش می یابد. این بدین معنی است که در هنگام روبش، بر فراز اتمی با قطر 3/0 نانومتر، جریان تونلی ممکن است به میزان 1000 برابر تغییر کند. وجود چنین پارامترهایی باعث می شود که عملکرد STM از حساسیت بالایی برخوردار باشد.همچنین باید دوباره اشاره شود که جریان تونلی شدیدا به فاصله موجود بین آخرین اتم سوزن و نزدیک ترین اتم نمونه به آن بستگی دارد[5]. شکل8 تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن و نمونه را به خوبی نمایش می دهد.

شکل8- تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن و نمونه[5]​

 

[P O U R I A]

سپس با توجه به روابط 1و 2، جریان تونلی را میتوان با در نظر گرفتن چگالی ترازهای نمونه، در لبه فرمی، از رابطه تکمیلی تر زیر بدست آورد:

در این رابطه ارتفاع سد Φ در واحدeV و z در واحد آنگستروم اعمال می شود. در مقدار معمول ارتفاع سد Φ=5eV که مربوط به تابع کار طلا است، با افزایش فاصله به اندازه 1Å، جریان تونلی نصف می شود[4, 6].


مدل ترسوف – هامان (Terosoff-Hamann model )، یک مدل درجه اول استاندارد برای STM محسوب می شود که بر مبنای انتقال همیلتونی توسط باردین (bardeen) از [8]، جهت توضیح منحنی های جریان بر حسب ولتاژ سدهای اکسیدی بین سوپرهادی ها، معرفی شد. باردین نشان داد که جریان تونلی بین دو الکترود که توسط عایق از هم جدا شده اند با رابطه زیر تعیین میشود:

که در آن:

انرژی فرمی است. ρsوρt به ترتیب، چگالی ترازهای نمونه و سوزن، e بار الکترون، ħ=h/2π که در آن h ثابت پلانک و متغیر انتگرال است. باردین نشان داد که المان ماتریس تونل زنی(M)با رابطه زیر تعیین می شود:

​

که در آن ψs و ψt به ترتیب، توابع موج نمونه و سوزن هستند. بنابراین، مسئله برای نمونه و سوزن به طور جداگانه حل می شود و سپس المان ماتریس برحسب رابطه فوق تعیین می گردد.
همچنین برای ولتاژهای کم، رابطه6، بصورت زیر اصلاح می شود[4, 6]:

 

[P O U R I A]

3- رزولوشن در میکروسکوپ تونلی روبشی
با استفاده از میکروسکوپ پروبی روبشی می توان سطوح را با رزولوشن مطلوب بصورت افقی، تا کمتر از یک نانومتر و بصورت عمودی تا کمتر از 0.1 نانومتر، تصویر کرد که این مقادیر برای تعیین موقعیت اتمهای منفرد کافی است.
اساسا جریان تونلی هنگامی که فاصله تنها 0.2 نانومتر افزایش می یابد، با ضریب 2 کاهش می یابد. رزولوشن عمودی بسیار بالا در STM به این خاطر است که جریان تونلی با فاصله بین دو الکترود (سوزن فلزی و سطح روبش شده)، بصورت نمایی تغییر می کند. همچنین رزولوشن افقی بستگی به میزان تیز بودن نوک سوزن ها دارد [2].

4- حالت های کاری میکروسکوپ تونلی روبشی
میکروسکوپ‌های تونلی روبشی می توانند برای تهیه تصویر در دو حالت "جریان ثابت" یا "ارتفاع ثابت" طراحی شوند. به علاوه حالاتی نظیر طیف نگاری (spectroscopy ) یا دستکاری (manipulation ) نیز در دستگاه مطرح هستند[4, 9].

4-1- حالت جریان ثابت
شکل9، حالت (مد) جریان ثابت را نشان می دهد. یک سیستم بازخورد (feedback ) ارتفاع سوزن را در راستای محورz تغییر می دهد تا جریان را ثابت نگه دارد. این کار با تنظیم ارتفاع روبشگر پیزوالکتریک (piezoelectric ) 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 پیزوالکتریک را به گونه ای تنظیم می کند که فاصله بین سوزن و نمونه را افزایش دهد.

شکل9- حالت کاری جریان ثابت​

در حالت جریان ثابت، حرکت روبشگر پیزو باعث تشکیل تصویر می شود. اگر سیستم، جریان تونلی را ثابت نگه دارد، فاصله بین سوزن تا نمونه تا حد چند آنگستروم ثابت نگه داشته می شود.
جابجایی سوزن بعلت ولتاژ اعمالی به پیزوالکتریک، پس از پردازش رایانه ای و نرم افزاری ، نهایتا نقشه توپوگرافیک سطح را ایجاد می کند و یک تصویر سه بعدی بدست می‌آید.
باید توجه داشت چنانچه اتم های متفاوتی در ساختار یک نمونه حاضر باشند، ممکن است در یک ولتاژ بایاس مشخص، هر کدام از این اتمهای مختلف، جریانهای تونلی متفاوتی ایجاد کنند. بنابراین اطلاعات بدست آمده از ارتفاع ممکن است معیار صادقی از توپوگرافی سطح نمونه نباشند.

 

[P O U R I A]

4-2- حالت ارتفاع ثابت
در حالت ارتفاع ثابت، سوزن با یک ارتفاع ثابت در بالای نمونه حرکت می کند و سوزن در جهت Z حرکتی ندارد. در این حالت جریان تونلی بر حسب توپوگرافی سطح و خواص الکترونی موضعی نمونه، تغییر می کند. این سوزن فلزی می تواند سراسر سطح نمونه را در ولتاژ و ارتفاع ثابت، روبش کرده و تغییرات جریان را در سیستم ثبت نماید.( شکل10)

شکل10- حالت کاری ارتفاع ثابت​

در حقیقت جریان تونلی اندازه گیری شده در هر نقطه از سطح نمونه، در تشکیل تصویر توپوگرافی مشارکت می کند. بایستی توجه داشت این حالت بعلت عملکرد در ارتفاع یکسان، برای سطوح ناهموار کاربردی نیست[4, 6, 9, 10].

5- مزایا و معایب حالات استاتیکی و دینامیکی
همانطور که اشاره شد میکروسکوپ‌های تونلی روبشی در دو حالت جریان ثابت یا ارتفاع ثابت توپوگرافی سطح را آنالیز می کند که هر حالتی مزایا و معایبی خاص خود را دارد. حالت ارتفاع ثابت، دارای سرعت بیشتری است، زیرا سیستم مجبور نمی باشد روبشگر پیزو را به بالا و پایین حرکت دهد، ولی اطلاعاتی که تولید می کند فقط برای سطوح نسبتا صاف مفید است. این در حالی است که حالت جریان ثابت می تواند سطوح ناصاف را با دقت بیشتری اندازه گیری کند ولی به زمان بیشتری نیاز دارد.
همچنین حساسیت STM به ساختار الکترونی موضعی در تهیه نقشه توپوگرافی می تواند اشکال ایجاد کند. برای مثال، اگر قسمتی از نمونه اکسید شده باشد جریان تونلی با رسیدن سوزن به آن ناحیه ناگهان افت می کند. در حالت جریان ثابت، قسمت کنترل کننده به سوزن دستور می دهد که به نمونه نزدیکتر شود تا جریان تونلی ثابت بماند و در نتیجه ممکن است سوزن باعث ایجاد فرورفتگی در سطح نمونه شود. از سوی دیگر، وجود حساسیت STM به ساختار الکترونی می تواند مزیت بزرگی باشد. تکنیک های دیگری که برای بدست آوردن اطلاعات مربوط به خواص الکترونی نمونه بکار می روند، این اطلاعات را از ناحیه نسبتا بزرگی (به مقطع چند میکرون تا چند میلیمتر) از سطح نمونه جمع آوری و متوسط گیری می کنند. [4, 6, 9]

 

[P O U R I A]

میکروسکوپ نیروی اتمی

میکروسکوپ نیروی اتمی

میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM)، دسته گسترده ای از تجهیزات شناسایی در مقیاس نانو با عنوان میکروسکوپ های نیرویی را به خود اختصاص داده اند. امروزه دستگاههای تجاری متفاوتی با مبانی مشابه و حالات کاری مختلف عرضه شده اند که از نظر دقت و کیفیت تصاویر با یکدیگر تفاوت دارند. در این مقاله ضمن معرفی میکروسکوپ نیروی اتمی و نحوه عملکرد آن ، مدهای کاری مختلف و مزایا و معایب هرکدام مورد بررسی قرار می گیرد.

 

[P O U R I A]

1. مقدمه
گرد کارل بینیگ (GerdKarl Binnig) بر اساس طراحی های قبلی که با همکاری هاینرک روهرر (Heinrich Rohrer ) ، در آزمایشگاه تحقیقاتی زوریخ IBM، در جهت طراحی و ساخت میکروسکوپ تونلی روبشی، صورت داده بود، در سال 1986 میلادی با همکاری کلوین کوایت (CalvinQuate )و کریستف گربر (Christoph Geber) از دانشگاه استانفورد میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، را ارائه نمود. هدف او از این کار اندازه گیری نیروهای بسیار ناچیز (کمتر از1µN )، بین نوک سوزن AFM و سطح نمونه مورد بررسی بود [1, 2].
پس از آنکه در سال 1981 میلادی ، میکروسکوپ تونلی رویشی (STM= scanning tunneling microscope) بوسیله گرهارد بینیگ (Gerd Binnig) و هاینرک روهرر (Heinrich Rohrer) اختراع شد، تلاشهای بسیاری بر اساس آن، در جهت توسعه روش های مشخصه یابی در مقیاس نانوصورت پذبرفت. درسال 1986، گرهارد بینیگ، بر اساس تجربیاتی که از ساخت میکروسکوپ تونلی روبشی بدست آورده بود، با همکاری کلوین کوات و کریستف گربر از دانشگاه استنفورد، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) را اختراع نمودند. تولیدات تجاری این محصولات، با میکروسکوپ STM در سال 1987 میلادی و میکروسکوپهای AFM، در 1989 میلادی کلید خورد. به دنبال اختراع STM و سپس AFM، تلاشهای بسیاری جهت مطالعه مورفولوژی و ساختار سطوح و فصل مشترک آن ها صورت گرفت و در بازه کوتاهی از زمان، بسیاری دیگر از ابزارهای شناسایی با مبانی مشابه درعملکرد، تحت عنوان کلی میکروسکوپ های پروبی روبشی، ساخته و به جهان علم ارائه گردیدند.


2. دامنه کاربرد میکروسکوپ نیروی اتمی
در حالی که میکروسکوپ تونلی روبشی، تنها می تواند جهت مطالعه سطوحی که از لحاظ الکتریکی درجاتی از رسانایی دارند، استفاده شود، میکروسکوپ های نیروی اتمی می توانند جهت مطالعه هر نوع سطح مهندسی استفاده شوند؛ بنابراین می توان از آن جهت مطالعه انواع مواد رسانا، نیمه رسانا و نارسانا استفاده نمود.
امروزه AFM، یک کاوشگر سطحی محبوب برای اندازه گیری های توپوگرافیک و محاسبه نیروهای عمودی در مقیاس میکرو تا نانو شناخته شده است.

همچنین از این دستگاه مشخصه یابی، می توان برای مطالعه خراش و سائیدگی و نیز اندازه گیری خواص مکانیکی الاستیک و پلاستیک (از قبیل میزان سختی جسم در برابر جسم فرورونده (indentation hardness ) و مدول الاستیسیته) استفاده نمود.

AFM در بسیاری از مطالعات، جهت نوشتار، دستکاری و جابجایی اتمهای منفرد زنون ، مولکولها ، سطوح سیلیکونی و پلیمری بکار گرفته شده اند. به علاوه این میکروسوپ ها جهت انواع نانولیتوگرافی و تولید نانوساختارها و نانوماشینکاری استفاده شده اند.

میکروسکوپ های نیروی اتمی که برای اندازه گیری نیروهای عمودی و جانبی، طراحی شده اند، میکروسکوپ های نیروی جانبی (LFM)، یا میکروسکوپهای نیروی اصطکاکی (FFM) نامیده می شوند . دسته ای از FFM ها از توانایی اندازه گیری نیروهای جانبی در دو جهت متعامد برخوردارد. تعدادی از تحقیقات، طراحی های AFM و FFM را اصلاح کرده و بهبود داده است و این سیستمهای بهبود داده شده، جهت اندازه گیری چسبندگی و اصطکاک و نیروهای پیوندی در سطوح جامد و مایع در مقیاس نانو و میکرو بکار می روند.

 

[P O U R I A]

3. سیستم دستگاهی میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی
میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی AFM سطح نمونه را توسط یک سوزن تیز، به طول 2 میکرون و غالبا قطر نوک کمتر از 10 نانومتر آنالیز می کند. سوزن در انتهای آزاد یک کانتیلور (انبرک= cantilever) به طول حدود 100 تا 450 میکرون قرار دارد[4].

شکل1- اجزاء کلی میکروسکوپ نیروی اتمی و عملکرد آنها[40]​

نیروهای بین سوزن و سطح نمونه باعث خم شدن یا انحراف کانتیلور شده و یک آشکارساز میزان انحراف کانتیلور را در حالیکه سوزن سطح نمونه را روبش می کند یا نمونه در زیر سوزن روبش می شود، در سیستم هایی که نمونه حرکت روبشی را انجام می دهد، اندازه می گیرد. میتوان از انحراف کانتیلور برای ورودی یک مدار بازخورد استفاده کرد که روبشگر پیزو را در مواجهه با توپوگرافی سطح نمونه به گونه ای در جهت z بالا و پایین می برد که میزان انحراف کانتیلور ثابت بماند. اندازه گیری انحرافات کانتیلور به کامپیوتر امکان تولید تصویر توپوگرافی سطح را می دهد.

شکل 2- بلاک دیاگرام حلقه بازخوردی میکروسکوپهایAFM . متغیرهای KP،تناسب بدست آمده،Ki، انتگرال بدست آمده، Kd، مشتق بدست آمده و e، میزان خطاست[41]​

 

[P O U R I A]

3.1. آشکارسازی موقعیت کانتیلور
در اغلب AFM هایی که امروزه عرضه می شود، موقعیت کانتیلور را با استفاده از روشهای اپتیکی تعیین می گردد. متداولترین آنها در شکل3 نشان داده شده است.

شکل 3- نحوه آشکارسازی موقعیت کانتیلور با روش متداول درمیکروسکوپ نیروی اتمی[42]​

یک اشعه لیزری به پشت کانتیلور به سمت یک آشکارساز نوری حساس به موقعیت (PSPD= Position-sensitive photo detrector) منعکس می شود. با خم شدن کانتیلور محل اشعه لیزر روی آشکارساز تغییر کرده و PSPD میتواند جابجایی به کوچکی 10 آنگستروم (1 نانومتر) را اندازه گیری کند. نسبت فاصله بین کانتیلور و آشکارساز به طول کانتیلور به عنوان یک تقویت کننده مکانیکی عمل می کند. در نتیجه سیستم می تواند حرکت عمودی کمتر از آنگستروم نوک کانتیلور را اندازه گیری کند. روشی دیگر جهت آشکار سازی انحراف آشکارساز بر مبنای تداخل اپتیکی می باشد.
یک تکنیک بسیار ظریف دیگر جهت آشکارسازی، ساختن کانتیلور از یک ماده پیزومقاومتی (piezoresistive) است به گونه ای که انحراف را بصورت سیگنال الکتریکی آشکار کند. در مواد پیزوی مقاومتی، تنش ناشی از تغییر فرم مکانیکی باعث تغییر مقاومت الکتریکی ماده می شود. برای آشکارسازی پیزومقاومتی نیازی به اشعه لیزر و PSPD نیست. وقتی که AFM انحراف کانتیلور را آشکار کرد، می تواند اطلاعات توپوگرافی را دردو حالت ارتفاع ثابت یا نیروی ثابت تولید کند. در جدول1، خواص مربوط به مواد مورد استفاده رایج در ساخت کانتیلورها ذکر شده اند.

جدول1- خواص مربوط به مواد مورد استفاده رایج در ساخت کانتیلورها[5, 27]

​

 

[P O U R I A]

4. حالات کاری میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی
در هنگام کار با میکروسکوپ نیروی اتمی، نیروهای مختلفی در انحراف کانتیلور AFM مشارکت می کنند. از جمله این نیروها می توان به نیروهای بین اتمی یا نیروهای واندروالس اشاره نمود. وابستگی نیروی واندوالس به فاصله سوزن و نمونه در شکل4، نشان داده شده است.

شکل 4- نمودار انرژی پتانسیل پروب و نمونه [42]​

در شکل4، دو حالت مربوط به دو ناحیه علامت گذاری شده است:
1) حالت استاتیکی(DC-AFM)( یا حالت دفعی)
2) حالت دینامیکی (AC-AFM)(یا حالت جذبی)

1.5. حالت استاتیکی
در حالت استاتیکی کانتیلور در فاصله کمتر از چند آنگستروم از سطح نمونه قرار داده می شود. نیروی بین اتمی بین کانتیلور و نمونه نیروی دافعه است. سوزن به انتهای کانتیلوری با ثابت فنر کم (کمتر از ثابت فنر مؤثری که اتمهای نمونه را بهم متصل می کند)، وصل شده است و تماس فیزیکی ملایمی با نمونه برقرار می کند. هنگامی که روبشگر سوزن را به آرامی روی سطح نمونه روبش می کند، نیروی استاتیکی باعث خم شدن کانتیلور می شود تا بتواند تغییرات توپوگرافی سطح را دنبال کند.
با نزدیک کردن اتم ها، از سمت راست منحنی شکل 4، ابتدا آنها یکدیگر را بطور ضعیفی جذب می کنند. این جاذبه افزایش می یابد تا جائیکه آنقدر اتمها بهم نزدیک می شوند که ابرهای الکترونی آنها بصورت الکترواستاتیکی شروع به دفع یکدیگر می کنند. با کاهش فاصله بین اتمی، این دافعه الکترواستاتیکی بطور فزاینده ای نیروهای جاذبه را تصعیف می کند.
وقتی که فاصله بین اتمها به یک یا دو آنگستروم، حدود طول یک پیوند شیمیایی، می رسد، نیرو صفر می شود. در نتیجه نیروی دافعه واندروالس تقریبا با هر نیرویی که بخواهد اتمها را به هم نزدیکتر کند، مقابله می نماید. در چنین فاصله هایی کانتیلور از طریق سوزن به نمونه فشار می آورد و به جای اینکه اتمهای سوزن به اتمهای نمونه نزدیکتر شوند، کانتیلور خم می گردد.
در صورت وجود کانتیلور خیلی مقاوم نیروی زیادی به روی نمونه اعمال می گردد و احتمالا سطح نمونه تغییر فرم می یابد که در نانولیتوگرافی (nanolithography )مورد استفاده قرار می گیرد.

1.1.5 حالت ارتفاع ثابت
در حالتی که ارتفاع روبشگر پیزو در حین روبش ثابت است، تغییرات انحراف کانتیلور می تواند مستقیما برای تولید اطلاعات توپوگرافی استفاده شود. از این حالت، اغلب برای ایجاد تصاویر در مقیاس اتمی از سطوحی که در حد اتمی مسطح هستند، استفاده می گردد. در اینجا انحرافات کانتیلور و بنابراین تغییرات در نیروی اعمالی، کوچک است. حالت ارتفاع ثابت برای ثبت تصاویر همزمان (Real time) سطوح در حال تغییر، که سرعت بالای روبش ضروری است، مورد نیاز است.

2.1.5. حالت نیروی ثابت
می توان از انحراف کانتیلور برای ورودی یک مدار بازخورد استفاده کرد که روبشگر پیزو را در مواجهه با توپوگرافی سطح نمونه به گونه ای در جهت z بالا و پایین می برد که میزان انحراف کانتیلور ثابت بماند. در این مورد، تصویر از حرکت روبشگر پیزو تولید می شود. با ثابت نگهداشتن انحراف کانتیلور، کل نیروی اعمالی بر نمونه ثابت خواهد بود. در حالت نیروی ثابت، سرعت روبش با زمان واکنش مدار بازخورد محدود می شود، ولی کل نیروی اعمالی توسط سوزن بر نمونه به خوبی کنترل می گردد. برای بسیاری از کاربردها، حالت نیروی ثابت ترجیح داده می شود.

 

[P O U R I A]

3.1.5. انواع نیروهای موجود در عملیات روبش
میکروسکوپ های نیروی اتمی در حین کار با نیروهایی نظیر نیروهای کوتاه برد، الکترواستاتیک، موئینگی و ... روبرو هستند. بعنوان مثال در زیر به دو نیرویی که علاوه بر نیروی دافعه واندروالس، در حین عملیات AFM استاتیکی حضور دارند، اشاره می شود:

1.3.1.5. نیروی اعمالی توسط کانتیلور
نیرویی که توسط خود کانتیلور اعمال می شود، مانند نیروی یک فنر فشرده است. اندازه و علامت ( جاذبه یا دافعه) نیروی کانتیلور به انحراف کانتیلور و ثابت فنر آن بستگی دارد.
10[SUP]-8[/SUP]N

2.3.1.5. نیروی موئینگی (capillary)
نیروی موئینگی معمولا توسط لایه نازک آب(که ممکن است از رطوبت محیط ناشی گردد) اعمال می شود. نیروی موئینگی هنگامی بوجود می آید که لایه ای از آب دور سوزن ایجاد گردد. در این حالت نیروی جاذبه قوی حدود [SUP](8-)[/SUP]10 نیوتن را پدیدار می شود که در این حالت سوزن را در تماس با سطح نگه می دارد. بزرگی نیروی موئینگی به فاصله سوزن تا نمونه بستگی دارد. تا زمانی که سوزن با نمونه تماس دارد، نیروی موئینگی ثابت می باشد. همچنین فرض میشود که لایه آب تقریبا همگن است.
در نتیجه نیروی متغیر در AFM استاتیکی باید توسط نیروی دافعه واندروالس جبران گردد. اندازه نیروی کل اعمال شده بر نمونه از [SUP](8-)[/SUP]10 نیوتن ( در شرایطی که تقریبا آب سوزن را به طرف نمونه می کشد و کانتیلور آن را از نمونه می راند) تا محدوده معمول تر [SUP](6-)[/SUP]10 تا [SUP](7-)[/SUP]10 نیوتن تغییر می کند[4].

5.2. حالت دینامیکی
میکروسکوپ های نیروی اتمی دینامیکی، یکی از چند تکنیک کانتیلور ارتعاشی (vibrating) است که در آن کانتیلور AFM در نزدیکی سطح نمونه ارتعاش می کند. در حالت دینامیکی کانتیلور در فاصله چند ده تا چند صد آنگستروم از سطح نمونه قرار داده می شود و در این حالت نیروی بین اتمی بین کانتیلور و نمونه ( عمدتا به دلیل برهمکنشهای واندروالس دوربرد (Long-range))، نیروی جاذبه است. فاصله حدود چند ده تا چند صد آنگستروم در منحنی واندروالس، به عنوان منطقه دینامیکی یا جذبی مشخص شده است.
در حالت دینامیکی سیستم کانتیلور را در نزدیکی فرکانس رزونانس آن (400-100 هرتز) و دامنه چند دهم آنگستروم می لرزاند. سپس تغییرات فرکانس رزونانس یا دامنه لرزش با نزدیک شدن سوزن به سطح نمونه اندازه گیری می شود. حساسیت این روش، دستیابی به قدرت تفکیک عمودی زیر آنگستروم تصویر را (مانند AFM های استاتیکی) فراهم می کند.
رابطه بین فرکانس کانتیلور و تغییرات توپوگرافی نمونه را می توان بدینگونه توضیح داد:
فرکانس رزونانس کانتیلور متناسب با جذر ثابت فنر آن تغییر می کند. علاوه بر این ثابت فنر کانتیلور با گرادیان اعمال نیرو بر کانتیلور تغییر می کند. بالاخره گرادیان نیرو که از منحنی نیرو در برابر فاصله مشتق می شود، با فاصله سوزن تا نمونه تغییر می کند. بنابراین تغییر فرکانس رزونانس کانتیلور می تواند به عنوان معیاری برای تغییر نیرو استفاده شود که به نوبه خود تغییرات فاصله تا نمونه (یا توپوگرافی نمونه) را منعکس می کند.
در حالت AFM دینامیکی ، سیستم، فرکانس رزونانس یا دامنه ارتعاش کانتیلور را اندازه گیری می کند و آن را به کمک یک سیستم بازخورد که روبشگر پیزو را بالا و پایین می برد، ثابت نگه می دارد.
با ثابت نگهداشتن فرکانس رزونانس یا دامنه، سیستم متوسط فاصله سوزن تا نمونه را نیز ثابت نگه می دارد. همانند AFM استاتیکی(در حالت نیروی ثابت)، حرکت روبشگر پیزو برای تولید اطلاعات استفاده می شود.

5. مزایا و معایب حالات استاتیکی و دینامیکی
مزایای میکروسکوپ های نیروی اتمی دینامیکی بدین صورت می باشد که توپوگرافی نمونه بدون تماس یا با تماس خیلی کم بین سوزن و نمونه اندازه گیری می شود. کل نیروی بین سوزن و نمونه در حالت دینامیکی بسیار کم است(معمولا حدود [SUP](12-)[/SUP]10 نیوتن). این نیروی کم مزیتی، برای مطالعه نمونه های نرم یا الاستیک به شمار می رود. همچنین نمونه هایی مانند ویفرهای سیلیسی (Silicon wafers ) از طریق تماس با سوزن آلوده نمی شوند. از طرف دیگر به دلیل اینکه نیروی بین سوزن و نمونه در حالت دینامیکی کم است، اندازه گیری آن مشکل تر از نیروی چندین بار بزرگتر حالت استاتیکی است.
علاوه بر این کانتیلور های استفاده شده برای AFMهای دینامیکی باید نسبت به کانتیلور های AFMهای استاتیکی سفت تر باشند، زیرا کانتیلور نرم می تواند به طرف سمت سطح نمونه کشیده شده و در تماس با آن قرار گیرد. از طرفی، حالت دینامیکی برای اندازه گیری نمونه های نرم بر حالت استاتیکی ترجیح داده می شود.
مقدار کم نیرو و سفت بودن کانتیلورها، در حالت دینامیکی، هر دو عواملی هستند که سیگنال AFM دینامیکی را کوچک می کنند. از همین رو اندازه گیری تغییرات در سیگنال مشکل است و نیاز به یک روش آشکارسازی AC حساس می باشد.
در مورد حالت دینامیکی، مشکل از بین رفتن سوزن یا نمونه، که گاهی بعد از اسکنهای فراوان توسط حالت استاتیکی مشاهده می شود، وجود ندارد.
در مورد نمونه های صلب ممکن است تصاویر AFM استاتیکی و دینامیکی به یک گونه بنظر برسند. ولی اگر برای مثال چند لایه آب روی سطح یک نمونه صلب میعان کرده باشد، ممکن است تصاویر کاملا متفاوت باشند. AFM که در حالت استاتیکی کار می کند می تواند به این لایه نفوذ کند و سطح زیر آن را تصویر کند، در حالیکه در حالت AFM دینامیکی، سطح مایع را تصویر می کند.

جدول2- نقاط قوت و ضعف حالات کاری AFMاز [42]

​

 

[P O U R I A]

میکروسکوپ نیروی مغناطیسی

میکروسکوپ نیروی مغناطیسی

میکروسکوپهای نیروی مغناطیسی، دسته دیگری از میکروسکوپ های پروبی روبشی را شامل می شوند که در بررسی های مربوط به خواص مغناطیسی کاربرد پیدا کرده اند. در مقالات مرتبط با این حوزه، ضمن معرفی این میکروسکوپ، به برخی برهمکنش ها، تکنیک ها و محاسبات مطرح پرداخته می شود. در مقاله نخست، ضمن بیان تاریخچه و سیستم کاری و نحوه عملکرد دستگاه، به برخی تکنیک ها و فرمول های مرتبط اشاره خواهد شد.