برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۷/۲۶ تا ۱۳۹۹/۰۸/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۹۴
  • بازدید این ماه ۰
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۲
  • قبول شدگان ۲۹
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۴
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

منابع دهمین مسابقه ملی فناوری نانو

طرح درس

دهمین مسابقه ملی نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

میکروسکوپ تونلی روبشی - 2

در مقاله «میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) - 1» به معرفی میکروسکوپ تونلی روبشی، ساختمان دستگاهی و قابلیت‌های آن پرداخته شد. در این نوع میکروسکوپ، محاسبات مربوط به ساختار الکترونی و پدیده‌هایی نظیر جریان تونلی، پیچیدگی‌های خاص خود را دارد. در این مقاله ضمن معرفی ساختمان پروب‌ها، به جریان تونلی و برخی محاسبات مطرح در آن پرداخته خواهد شد.

 

مقدمه

اولین گروه از سیستم‌های میکروسکوپ پروبی روبشی، میکروسکوپ تونلی است. مهم‌ترین تکنولوژی در این سیستم‌ها، تکنولوژی سوزن‌هاست. در میکروسکوپ‌های تونلی روبشی با اعمال یک ولتاژ بایاس مناسب ( V1- mV10)، بین سوزن و سطح نمونه که در فاصله کمتر از 10 آنگستروم از هم قرار دارند، الکترون‌ها بر اساس پدیده‌ای کوانتومی، به نام تونل‌زنی (tunneling)، از نمونه به اتم‌های سوزن یا بالعکس (بسته به جهت ولتاژ بایاس) جریان می‌یابند [4و6].

 

1- ساختمان پروب‌های STM
پروب‌های STM معمولاً شامل یک کانتیلور همراه با یک سوزن فلزی تیز جهت به حداقل رساندن نوسانات موجی هستند. به‌صورت ایده‌آل، سوزن باید تیز باشد، اما در عمل اکثر روش‌های تهیه سوزن، یک سوزن با مقطع عرضی خشن تولید می‌کنند که شامل ناهمواری‌های متعددی است که نزدیک‌ترین آن‌ها به سطح نمونه، مسئول تونل‌زنی خواهد بود.
سوزن‌های تیز کانتیلور، معمولاً از جنس فلزات ساخته می‌شوند، که شامل فلزات تنگستن (W)، طلا (Au) و آلیاژهای پلاتین-ایریدیم (Pt-Ir) است و معمولاً به‌وسیله روش‌هایی نظیر سایش (grinding)، برش (cutting)، روش‌های نشر میدانی (field emission) یا روش‌های تبخیری (evaporation)، سایش یونی (ion milling)، شکستن (fracture)، پرداخت الکتروشیمیایی (Electrochemicalpolishing) یا اچ کردن الکتروشیمیایی (Electrochemicaletching) تیز می‌شوند [39, 40]. در این بین، بیشترین نوع سوزن‌های مورد استفاده شامل Pt-Ir 80/20 و سیم تنگستنی است.
سوزن‌های Pt-Ir، عموماً به‌صورت ماشینی و مکانیکی شکل‌دهی شده و تهیه می‌شوند، این در حالی است که سوزن‌های تنگستنی نیز از سیم‌های تنگستنی اچ شده با فرآیندی الکتروشیمیایی حاصل می‌شوند.
به‌طور کلی، سوزن‌های Pt-Ir نسبت به سوزن‌های تنگستنی، رزولوشن اتمی بهتری را تأمین می‌کنند که دلیل آن واکنش‌پذیری کمتر پلاتین است. با این وجود سوزن‌های تنگستنی از نظر شکل، یکنواخت‌تر هستند و روی نمونه‌هایی 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 می‌کنند، ولی شکننده و ترد بوده و گاهی در برخورد با سطح می‌شکنند. در تحقیقات به عمل آمده، سوزن‌های الماسی نیز مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این سوزن‌ها به‌وسیله کاشت یون بور، رسانا شده‌اند [3].
قطر سیم تنگستنی مورد استفاده برای کانتیلور معمولاً 250µm ، شعاع انحنایی آن 20 تا 100 نانومتر و زاویه نوک مخروطی آن بین ̊10 تا ̊60 است. اگر نیاز باشد، سیم می‌تواند 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، به‌صورت تجاری جهت به تصویر کشیدن حفرات و شیارهای کوچک و عمیق فراهم شده‌اند.
همچنین، پروب‌هایی که حاوی سوزنی با شعاع کمتر از 50 نانومتر هستند، جهت به تصویر کشیدن شیارهای عمیق (0.25µm<) و خواص و اشکال نانومقیاس استفاده می‌شوند. جهت مطالعات حیطه الکتروشیمی، پروب‌های Pt-Ir با یک فیلم نارسانا پوشانده می‌شوند.

2- جریان تونلی
اصل تونل‌زنی 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 شده‌اند، اعمال شود، به‌دلیل توانایی نفوذ الکترون در سد پتانسیل موجود، جریانی ایجاد خواهد شد. برای اینکه محاسبه جریان تونلی ایجاد شده، امکان‌پذیر باشد، دو فلز نمی‌بایست بیش از 10 نانومتر از هم فاصله داشته باشند [2]. بر همین اساس بنیگ و همکارش [3] تونل‌زنی خلأ آمیخته با روبش افقی را مطرح کردند، چرا که خلأ، سد ایده‌آلی برای تونل‌زنی تأمین می‌کند.
به‌طور 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 خلأ برقرار می‌شود.
دوم: این جریان در مقیاس طول در حد شعاع یک اتم، افت می‌کند.
 
در STM، جریان تونلی از آخرین اتم نوک سوزن به تک اتم‌های روی سطح نمونه جریان یافته و به این ترتیب، رزولوشن اتمی را فراهم می‌کند [4]؛ اگر ساختار الکترونی یک فلز را طبق شکل 5- الف، در نظر بگیرید، الکترون‌های فلز تمامی ترازهای انرژی قابل دسترس پایین انرژی EF را اشغال کرده‌اند.
برای اینکه یک الکترون فلز را ترک کند، لازم است تا مقدار زیادی از انرژی φ بالاتر از انرژی فرمی (EF) (Fermi energy) به‌دست آورد؛ این انرژی الکترون را به تراز خلأ می‌رساند. انرژی φ به‎عنوان تابع کار فلز معرفی می‌شود.

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل 5- نمودار سطوح انرژی الکترون در برقراری جریان تونلی بین دو فلز سوزن و سطح: الف) در سطوح انرژی الکترون تا انرژی مخصوصی به‌نام انرژی فرمی پر شده‌اند. ب) در فاصله مشخصی بین سطح و سوزن، الکترون‌ها در انرژی فرمی برای گذار نیازمند غلبه بر سد پتانسیلی هستند [5].

شکل 5- ب، موقعیت یک سوزن و نمونه را در هنگامی که در مجاورت یکدیگر قرار دارند، نشان می‌دهد. بین این سطوح، تنها ناحیه باریکی از فضا وجود دارد، اما هیچ ارتباط و رسانشی بین آن‌ها ایجاد نمی‌شود.
الکترون‌ها برای حرکت از نمونه به سوزن یا برعکس، هنوز به انرژی افزون‌تری (بالاتر از انرژی فرمی) نیاز دارند. بر اساس مکانیک کوانتوم، طبق فرآیند تونل‌زنی، الکترون‌ها می‌توانند از میان سد موجود عبور کنند.
در STM، سد توسط شکاف خلأ بین نمونه و سوزن ایجاد می‌شود [5, 6]. شکل 6 عبور موج از میان یک سد انرژی با اعمال ولتاژ بایاس را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
شکل 6- عبور موج از میان یک سد انرژی با اعمال ولتاژ بایاس کافی [7]

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

filereader.php?p1=main_cda522d4353b166cc
در اینجا m جرم ذرات و 34-10×1.05= ħ هستند [4, 6].
مطابق شکل 7، زمانی که یک ولتاژ الکتریکی V، بین نمونه و سوزن اعمال می‌شود، پدیده تونل‌زنی منجر به ایجاد جریانی الکتریکی موسوم به «جریان تونلی» می‌شود.
 
filereader.php?p1=main_46d46a759bf6cbed0
شکل 7- نمودار سطوح انرژی الکترون در برقراری جریان تونلی بین دو فلز سوزن و سطح: در فاصله و انرژی کافی، الکترون‌ها امکان تونل‌زنی می‌یابند.

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

filereader.php?p1=main_8c6d22ff6f63fc671

این رابطه به صورت تقریبی نشان می‌دهد که جریان تونلی از قانون اهم تبعیت می‌کند به گونه‌ای که جریان (I)، با ولتاژ (V)، متناسب است و به صورت نمایی به فاصله (d)، بستگی دارد. سایر مقادیر در رابطه فوق، مربوط به تابع کار (φ)، بار الکترون (e)، جرم الکترون (m) و ثابت پلانک (ħ) هستند. برای تابع کاری با میزان معمول 4 الکترون ولت (eV)، جریان تونلی، به ازای هر 0/1 نانومتر افزایش در مقدار d، به میزان 10 برابر کاهش می‌یابد. این بدین معنی است که در هنگام روبش، بر فراز اتمی با قطر 0/3 نانومتر، جریان تونلی ممکن است به میزان 1000 برابر تغییر کند. وجود چنین پارامترهایی باعث می‌شود که عملکرد STM از حساسیت بالایی برخوردار باشد. همچنین باید دوباره اشاره شود که جریان تونلی شدیداً به فاصله موجود بین آخرین اتم سوزن و نزدیک‌ترین اتم نمونه به آن بستگی دارد [5]. شکل 8 تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن و نمونه را به خوبی نمایش می‌دهد.

filereader.php?p1=main_2e3f209d4f2bb3466
شکل 8- تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن و نمونه [5]

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

filereader.php?p1=main_5c108ce0fe89d0632

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

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

filereader.php?p1=main_8717ce4dfdc86a4b5

که در آن:

filereader.php?p1=main_e1b8054c9cdd622c9

انرژی فرمی است. ρs و ρt 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 تونل‌زنی (M) با رابطه زیر تعیین می‌شود:

filereader.php?p1=main_f38ee76ce06ccd139

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

filereader.php?p1=main_b9d7e51eba2c6d155

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

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


1-4- حالت جریان ثابت
شکل 9، حالت (مُد) جریان ثابت را نشان می‌دهد. یک سیستم بازخورد (feedback) ارتفاع سوزن را در راستای محور z تغییر می‌دهد تا جریان را ثابت نگه دارد. این کار با تنظیم ارتفاع روبشگر پیزوالکتریک (piezoelectric) در هر نقطه اندازه‌گیری صورت می‌گیرد. برای مثال، وقتی که سیستم افزایش جریان تونلی را حس می‌کند، ولتاژ اعمال شده به روبشگر، پیزوالکتریک را به گونه‌ای تنظیم می‌کند که فاصله بین سوزن و نمونه را افزایش دهد.

filereader.php?p1=main_d9a9d61ef9ac1fb46
شکل 9- حالت کاری جریان ثابت

در حالت جریان ثابت، حرکت روبشگر پیزو باعث تشکیل تصویر می‌شود. اگر سیستم، جریان تونلی را ثابت نگه‌دارد، فاصله بین سوزن تا نمونه تا حد چند آنگستروم ثابت نگه‌داشته می‌شود.
جابه‌جایی سوزن به علت ولتاژ اعمالی به پیزوالکتریک، پس از پردازش رایانه‌ای و نرم‌افزاری، نهایتاً نقشه توپوگرافیک سطح را ایجاد می‌کند و یک تصویر سه بعدی به‌دست می‌آید.

باید توجه داشت چنانچه اتم‌های 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 به‌دست آمده از ارتفاع ممکن است معیار صادقی از توپوگرافی سطح نمونه نباشند.

2-4- حالت ارتفاع ثابت
در حالت ارتفاع ثابت، سوزن با یک ارتفاع ثابت در بالای نمونه حرکت می‌کند و سوزن در جهت Z حرکتی ندارد. در این حالت جریان تونلی بر حسب توپوگرافی سطح و خواص الکترونی موضعی نمونه، تغییر می‌کند. این سوزن فلزی می‌تواند سراسر سطح نمونه را در ولتاژ و ارتفاع ثابت، روبش کرده و تغییرات جریان را در سیستم ثبت کند (شکل 10).
filereader.php?p1=main_ad304601e6638bf2b
شکل 10- حالت کاری ارتفاع ثابت

در حقیقت جریان تونلی اندازه‌گیری شده در هر نقطه از سطح نمونه، در تشکیل تصویر توپوگرافی مشارکت می‌کند. بایستی توجه داشت این حالت به علت 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 می‌کند که هر حالتی مزایا و معایب خاص خود را دارد. حالت ارتفاع ثابت، دارای سرعت بیشتری است، زیرا سیستم مجبور نیست روبشگر پیزو را به بالا و پایین حرکت دهد، ولی اطلاعاتی که تولید می‌کند فقط برای سطوح نسبتاً صاف مفید است. این در حالی است که حالت جریان ثابت می‌تواند سطوح ناصاف را با دقت بیشتری اندازه‌گیری کند ولی به زمان بیشتری نیاز دارد.
همچنین حساسیت STM به ساختار الکترونی موضعی در تهیه نقشه توپوگرافی، می‌تواند اشکال ایجاد کند. برای مثال، اگر قسمتی از نمونه اکسید شده باشد، جریان تونلی با رسیدن سوزن به آن ناحیه ناگهان افت می‌کند. در حالت جریان ثابت، قسمت کنترل‌کننده به سوزن دستور می‌دهد 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 می‌تواند مزیت بزرگی باشد؛ تکنیک‌های دیگری که برای به‌دست آوردن اطلاعات مربوط به خواص الکترونی نمونه به‌کار می‌روند، این اطلاعات را از ناحیه نسبتاً بزرگی (به مقطع چند میکرون تا چند میلیمتر) از سطح نمونه جمع‌آوری و متوسط‌گیری می‌کنند [4, 6, 9].

نتیجه‌گیری
اساس کار در میکروسکوپ تونلی روبشی، پدیده کوانتومی به نام تونل‌زنی است. در این میکروسکوپ‌ها جریان تونلی از آخرین اتم روی نوک سوزنی نوک تیز به اتم‌های روی سطح نمونه جریان می‌یابد و به این ترتیب رزولوشن اتمی را فراهم می‌شود. در این میکروسکوپ‌ها، می‌توان سطوح را با رزولوشن کمتر از یک نانومتر به‌صورت افقی و تا کمتر از 1 آنگستروم به‌صورت عمودی، تصویر کرد. برای تهیه تصویر در میکروسکوپ‌های تونلی روبشی، از دو حالت کاری "جریان ثابت" و "ارتفاع ثابت" استفاده می‌شود. مهم‌ترین مزیت حالت ارتفاع ثابت، سرعت بالای روبش و در حالت جریان ثابت، اندازه‌گیری سطوح ناصاف با دقت بیشتر است.
 

منابـــع و مراجــــع

1. I. Giaever, Energy gap in superconductors measured by electron tunneling, Phys. Rev. Lett. 5, 147–148 (1960).

2. B. Bhushan, O. Marti, "Scanning Probe Microscopy – Principle of Operation, Instrumentation, and Probes" , Nanotribology and Nanomechanics, Springer, (2011).

3. G. Binnig, H. Rohrer, C. Gerber, E. Weibel, Surface studies by scanning tunneling microscopy, Phys. Rev. Lett. 49, 57–61 (1982).

4. علیرضا ذوالفقاری، محمد الماسی، پیروز مرعشی، مهرداد نجبا، امید سیفی، "میکروسکوپ پروبی روبشی آزمایشگاهی روی نوک سوزن"، تهران، پیکنور، (1385).

5. http://www.physics.leidenuniv.nl.

6. E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz, "Scanning Probe Microscopy The Lab on a Tip", USA, Springer, (2003).

7. http://www.stm.phas.ubc.ca/

8. J. Bardeen: 'Tunneling from a many-body point of view', Phys. Rev. Lett. 6, 57(1960).

9. Bharat Bhushan, "Springer Handbook of Nanotechnology", USA, Springer, (2004).

10. B. Bhushan, Principles and Applications of TribologyWiley, New York (1999).

39. R.L. Nicolaides, W.E. Yong, W.F. Packard, H.A. Zhou, Scanning tunneling microscope tip structures, J. Vac. Sci. Technol. A 6, 445–447 (1988).

40. J.P. Ibe, P.P. Bey, S.L. Brandon, R.A. Brizzolara, N.A. Burnham, D.P. DiLella, K.P. Lee, C.R.K. Marrian, R.J. Colton, On the electrochemical etching of tips for scanning tunneling microscopy, J. Vac. Sci. Technol. A 8, 3570–3575 (1990).