به نام خدا
ميكروسكوپ تونلي روبشي STM
وقتي كه ميكروسكوپ تونلي روبشي (STM) در سال 1982 بوسيله Binnig براي اولين بار مطرح شد به نظر ميرسيد كه ميكروسكوپي براي مطالعه ساختار سطوح در مقياس اتمي است. چهار سال بعد يعني در سال 1986 Gerd Binnig و Heinrich Rohrer به خاطر اختراع ميكروسكوپ STM و كشف اين مطلب كه اين ميكروسكوپ ميتواند از صفحه نفوذ اتمي بدون تجزيه و تحليل درصدي تصوير بردارد جايزه نوبل را به خود اختصاص دادند. اگر چه بعدها با استنتاج از تئوري اوليه و آزمايشهاي گوناگون مشخص شد كه اطلاعات بيشتري را ميتوان از فرايند تونلي كه در ميكروسكوپ بوجود ميآيد استخراج نمود اين ميكروسكوپ امروزه كاربردهاي وسيعي يافته و ابزاري قوي در مطالعات مواد در مقياس اتمي است. در ادامه اين بحث ابتدا بر اصول كاركرد STM مروري شده و سپس به پارهاي از اهم كاربردهاي آن اشاره ميشود.ميكروسكوپ تونلي روبشي STM
اصول عملكرد ميكروسكوپ STM
درشكل زیر طرح اصول عملكرد ميكروسكوپ STM نشان داده شده است.


شمايي از اين دستگاه راميتوانيد در شكل زیر ملاحظه نماييد.

درشكل زیر شمايي از ارتباط سوزن و سطح مشاهده ميشود. شكل (الف) نوك سوزن و سطح نمونه را در بزرگنمايي 8 10 نشان ميدهد. 
بسته به جهت ولتاژ الكترونها فاصله نمونه تا نوك سوزن و يا برعكس را تونلزني ميكنند مشابه آن چه كه در شكل زیر مشاهده ميشود اثر تونلي مناسب در حقيقت احتمال محدودي از نفوذ يك الكترون به سطح مانع را به وسيله تابع كار سوزن و سطح ريزساختار بيان ميدارد.

IT=V.e-A . ϕ1/2.S
همانطور كه ملاحظه ميشود اين جريان با اختلاف پتانسيل بين سطح و سوزن V تابع كار موضعي ϕ و فاصله بين سوزن و سطح S ارتباط مستقيم دارد. مقدار A در اين رابطه برابر با 2√2 m/h ميباشد.
IT بيانگر ميزان توليد انرژي استخراج الكترون و نيز فاصله است اگر انرژي استخراج موضعي الكترون ثابت باشد آنگاه IT اندازه گرفته شده در جهتهاي x و y يك تصوير پرتونگاري فضايي واقعي را از سطح روبش شده با دقت تفكيكي در حد اتمي ايجاد مينمايد. اين دقت در حدود 2 تا 5 آنگستروم به صورت افقي و 1/0 آنگستروم به صورت عمودي است.
به علت رابطه نمايي جريان تونلي با فاصله بين نوك سوزن و نمونه ، STM شديدا به تغييرات ارتفاع (فاصله) نمونه حساس ميباشد. به گونهاي كه تغيير nm1/0 در S (10 درصد تغيير فاصله بين سوزن و نمونه) باعث تغييري به اندازه 1 واحد بزرگنمايي ميشود.
ولتاژ تونلي ميان نوك سوزن و سطح نمونه در STM معمولا بين چند ميلي ولت تا چند ولت و شدت جريان تونلي بين 1 تا 10 نانوآمپر ميباشد. اندازهگيري جريان تونلي به خلاء شديد UHV احتياجي ندارد. ولي در مورد مواد بيولوژيكي كه نيازمند پردازش قوي هستند از خلاء شديد استفاده ميشود.
شايان ذكر است از اين ميكروسكوپ جهت بررسي عايقها نميتوان استفاده نمود.
اگر ولتاژ تونلي و قطبيت سوزن و نمونه عوض شود، امكان دارد كه اطلاعاتي از پيوند شيميايي بدست آيد.
ميكروسكوپهاي STM فعلي كه به صورت تجاري در دسترس ميباشند در شرايط اتمسفري (فشار 1 اتمسفر) در زير مايعات و يا در خلاء شديد UHV كار ميكنند.
تونل با اثر مناسب اولين بار به وسيله Giaver (برنده جايزه نوبل سال 1973) كشف شد. برطبق نظريه او احتمال اينكه يك الكترون بتواند از سد انرژي استخراج الكترون از سوزن و ريز ساختار نمونه بگذرد محدود است.
درشكل زیر نمودار تراز انرژي براي جريان تونلي بين دو فلز تحت خلاء رسم شده است.

حالات كار با STM
در بحث پيشين به تاثير فراوان ميان سوزن و سطح نمونه (و بالطبع جريان تونلي) بر كارايي سيستم و حداكثر بزرگنمايي قابل حصول پرداخته شد. امروزه براساس شرايط اين فاصله به دو گونه از STM استفاده به عمل ميآيد:
1- در شرايطي كه فاصله مذكور ثابت است.
2- در شرايطي كه فاصله مذكور متغير است.
با ذكر اين نكته كه كاربرد حالت دوم رايجتر ميباشد. در شكل زیر نحوه حركت سوزن و نحوه تصويرسازي درهر دو روش آمده است.

در حالت دوم، حركت سوزن بر روي يك صفحه، و تنها در جهات x و y امكانپذير ميباشد. بدين ترتيب پستي و بلنديهاي سطح نمونه باعث ميشود كه فاصله سوزن و سطح دستخوش تغيير شده در نتيجه جريان تونلي تغيير نمايد. ساير جريان تونلي مشخصهاي براي سيستم خواهد بود كه بتواند سطح را مورد مطالعه و پردازش قرار دهد. طرحی عملیاتی از نحوه ی عملکرد STM مشاهده می شود.

STM داراي قابليتهاي خاصي است كه هر يك به سهم خود كارايي ويژهاي را ايجاد مينمايند. از STM در موارد گوناگوني نظير:
- تصويردهي از چگالي موضعي در سطح
- تصويردهي از تابع كار (انرژي استخراج الكترون)
- تصويردهي از نيروي مغناطيسي MFM
- تصويردهي الكتريكي
- تصويردهي از تغييرات سطح
- استفادههاي شاياني به عمل ميآيد.

عايقها را نميتوان با STM مطالعه نمود. فلزات نيز با به كارگيري ولتاژهايي در حد ميلي ولت و نيمه هاديها با ولتاژي بالاتر از فلزات قابل تشخيص با STM هستند.
در شكل زیر تصويري از سطح بازسازي شده يك بلور سيليسيم ارايه شده است.


مخرب بودن آزمون : این آزمون غیر مخرب است
قدرت تفکیک عمودی : یک صدم آنگستروم
قدرت تفکیک عرضی : در مقیاس اتمی
قابلیت ارائه ی کمی اندازه گیری ها : بله ، در سه بعد
دقت : بیش از 10 % در طول
تصویر برداری و نقشه برداری سطحی : بله
میدان دید : از اتم ها تا بیش از 250 میکرومتر
لازمه های نمونه : باید از جامدات رسانا یا نیمه هادی باشد ، برای مواد عایق پوششی از ماده ای هادی لازم است
استفاده های اصلی : تصویر برداری لحظه ای از اتفاقات و پدیده های سنتز مواد در هوا ، خلا یا محلول با بهترین دقت – پروفایلومتری با قدرت تفکیک بالا
منبع: http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/81