مقاله شماره 116: ميكروسكوپ تونلي روبشي STM

[m4material]

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.
اصول عملكرد ميكروسكوپ STM
درشكل زیر طرح اصول عملكرد ميكروسكوپ STM نشان داده شده است.

​

در اين ميكروسكوپ از يك سوزن تيز هادي با ولتاژ نفوذي (Bias) (اختلاف پتانسيلي كه جهت بهبود جريان در ادوات الكترونيكي مورد استفاده قرار مي‌گيرد) استفاده مي‌شود. اين ولتاژ در حد ميلي ولت بوده جريان الكتريكي ميان نوك سوزن و نمونه در حدود nA1مي‌باشد. سوزن مورد اشاره داراي نوكي اساسا تك اتمي است. اين سوزن سطح نمونه را از فاصله‌اي نزديك (حدود A010) روبش مي‌كند. براي بروز تونل زني الكترون‌ها لازم است كه هم نمونه و هم سوزن هادي يا نيمه هادي باشند. اهرمي كه سوزن بر روي آن نصب مي‌شود در شكل زیر ارايه شده است و نمونه نيز بر روي دستگاهي موسوم به شپشك Louse قرار مي‌گيرد.

​

علت اين نامگذاري حركت فوق‌العاده نامحسوس دستگاه است كه به صورت تشبيه از حركت شپشك برداشت شده است اين دستگاه موجبات حركت آرام نمونه را فراهم مي‌سازد.
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.

​

دايره‌ها بيانگر اتم‌ها و خطوط نقطه چين نمايانگر چگالي الكترون هستند. جهت جريان تونلي با پيكان نمايش داده شده است. شكل (ب) همين تصوير را در بزرگنمايي 4 10 نشان مي‌دهد. در شكل محورهاي قايم پيزوالكتريك x و y و z نيز مشخصند كه طول هر يك 5 سانتي‌متر بوده و سوزن به آنها متصل است. همچنين نمونه با حرف L نشان داده شده است. در اين دستگاه سوزن ثابت بوده و نمونه توسط شپشك كه با حرف L نشان داده شده، بسيار ظريف و آرام در مقابل سوزن حركت مي‌كند.
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.

​

دراثر حركت سوزن نزديك سطح نمونه يك جريان الكتروني موسوم به جريان تونلي IT ميان نوك سوزن و سطح نمونه ايجاد مي‌شود. اين جريان از رابطه زیر قابل محاسبه است.
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.

​

​

اين دو فلز تحت اختلاف پتانسيل V قرار دارند. ارتفاع سد انرژي z))ϕ نسبت به سد انرژي 1ϕو 2ϕ پايين تر آمده است. دراين حالت الكترون‌ها مي‌توانند از مكان‌هاي پرتجمع در زير EF1 به مكان‌هاي خالي در بالاي EF2 تونل زده جريان برقرار كنند.

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.

​

ثابت بودن فاصله سوزن و سطح بدين معناست كه سوزن ضمن حركت در جهات x و y در جهت z طوري جابجا مي‌شود كه پستي و بلندي‌هاي روي سطح نمونه تاثيري در فاصله مذكور نداشته باشند در اين حالت به دليل ثابت ماندن فاصله جريان تونلي نيز ثابت خواهد ماند. بدين ترتيب حركت سوزن در جهت α تصاوير توپوگرافي مفيد و كاملي را ارايه مي‌نمايد.
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.

​

كاربردهاي STM
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.
  

اگر ولتاژ تونلي و ميزان قطبيت يا اختلاف پتانسيل سوزن و نمونه تغيير يابد امكان دارد اطلاعاتي از پيوندهاي شيميايي و موضعي نيز بدست آيد. در تصاوير شكل زیر به اين موضوع اشاره شده است اين تصاوير با استفاده از STM از صفحات (111) يك بلور سيليسيم تهيه شده‌اند.

​

ولتاژ هر يك از اين تصاوير با ديگري متفاوت است تصوير (الف) تحت ولتاژ 2+ ولت بدست آمده و مبين تركيب بازسازي شده اتم‌هاي سطحي مي‌باشد. در تصوير (ب) كه با ولتاژ 35/0- ولت تهيه شده است الكترون‌هاي جهنده با كمترين استحكام ديده مي‌شوند. پيوندهاي آزاد ممتد به سمت بيرون از اين اتم‌هاي سطحي نيز قابل رويت است. در شكل (ج) تصويري مشاهده مي‌شود كه در ولتاژ 87/0- برداشت شده است. دراين تصوير مستحكم‌ترين الكترون‌هاي جهنده از پيوندهاي آزاد لايه‌هاي اتمي بعدي ديده مي‌شود. در تصوير (د) كه از ولتاژ 7/1- حاصل شده پيوستگي‌هاي گروهي سفيد رنگي ملاحظه مي‌گردد كه باندها و پيوندهاي پشتي يك حجم از اتم‌هاي سيليسيم را نشان مي‌دهد.
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.

​

در میکروسکوپ های روبشی با جریان تونلی الکترون ها (STM) سطح یک نمونه ی جامد در هوا ، مایع و یا خلا توسط عملگر مکانیکی نوک تیزی (Sharp tip probe) در فاصله ی چند آنگسترومی از آن ، روبش می شود. در STM یک جریان تونل زنی کوانتوم مکانیکی بین اتم های سطح نمونه و نوک عملگر جاری می گردد. از طریق ثبت و پردازش جریان تونلی می توان نقشه ی توپوگرافی سطحی را با قدرت تفکیک اتمی در سه بعد رسم کرد . همچنین جریان تونلی در STM تابعی از ساختار الکترونی موضعی بوده به طوریکه طیف سنجی های مقیاس اتمی ممکن می شوند . و از STM به عنوان یک پروفایلومتر با دقت بالا در سه بعد می توان استفاده کرد.

​

​

پارامترهایی که اندازه گیری می شوند : توپوگرافی سطحی ، ساختار الکترونی موضعی
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