برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۳,۳۵۲
  • بازدید این ماه ۲۲۲
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۴۴۵
  • قبول شدگان ۴۰۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۱۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۲
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

پیشرفته 1

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

میکروسکوپ تونلی روبشی (1)

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.
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].

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].

عنوان : رسانایی نمونه در میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

توضیحات : از آنجا که میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) مبتنی بر جریان تونل زنی الکترونی می باشد، بنابراین از این روش بیشتر برای مطالعه سطوح رسانا یا نیمه رسانا استفاده می شود، چون سطوح نارسانا مانع ایجاد چنین جریانی می شود. اما روش هایی وجود دارد که اجازه تصویربرداری از نمونه های بیولوژیکی غیررسانا و عایق را می دهند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 1:رسانایی نمونه در میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

این میکروسکوپ ‌ها در بازه وسیعی از بزرگنمایی ها از 103 تا 109 در جهات X,Y وZ، جهت تصویربرداری 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 محیط های معمولی [10-18]، اتمسفر[19, 20]، گازهای گوناگون [21]، مایعات [22-24]، خلاء[6, 25]، دماهای پایین (پایین تر از 100 کلوین) [4, 22, 26-28] و نیز در دماهای بالا [23, 24] مورد استفاده واقع شوند.

عنوان : محیط مورد استفاده در روش میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)

توضیحات : برای اجتناب از آلودگی سطح نمونه، از میکروسکوپ تونلی روبشی در شرایط خلا(UHV-STM) استفاده می شود اما به علت سازگاری زیاد این روش ، می توان از آن در محیط های عادی، مایعات، اتمسفریا گازهای گوناگون استفاده نمود که برای حذف آلودگی های ناشی از محیط یا لایه اکسیدی، نمونه را در محیط شیمیایی خنثی یا مایع رقیق غیرقطبی قرار داده و سطح را بررسی می کنند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 2:محیط مورد استفاده در روش میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)

تصویربرداری 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 کریستال های مایع و مولکول های 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.

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
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]
filereader.php?p1=main_83f1535f99ab0bf4e

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 اتم های 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].

عنوان : دستگاه وری میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)

توضیحات : اساس میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)، پدیده ای کوانتومی به نام تونل زنی می باشد که در آن از یک سوزن (پروب) تیز برای روبش استفاده می کند. با اعمال ولتاژ بایاس مناسب و قرار گرفتن سوزن در فاصله کمتر از 1نانومتری از سطح نمونه، جریان تونل زنی بین سطح و نوک سوزن برقرار می شود که منجر به تولید سیگنال های الکتریکی جهت تهیه تصویر می گردد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 3:دستگاه وری میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

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.

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
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].

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل3- برقراری جریان تونلی در فاصله و ولتاژ مناسب [37]

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 سیگنال های 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.

عنوان : نمایش تصویر اتمی توسط میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)

توضیحات : میکروسکوپ تونلی روبشی(STM) قادر به ایجاد تصاویر سه بعدی از سطوح جامد با تفکیک پذیری و دقت اتمی می باشد که برای روبش سطح از یک سوزن فلزی به همراه پیزوالکتریک های قائم الزاویه و عمود برهم در سه جهت استفاده می کند. با برقرار جریان تونلی، سیستم بازخورد ارتفاع پروب را حین روبش تنظیم می کند تا در نهایت، سیگنال های تهیه نقشه توپوگرافی سطح پس از پردازش از طریق نرم افزار، بصورت تصویر حاصل از نمونه ظاهر گردد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 4:نمایش تصویر اتمی توسط میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

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].

filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6
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].

عنوان : میکروسکوپ تونلی روبشی با اسپین قطبیده(SP-STM)

توضیحات : میکروسکوپ تونلی روبشی با اسپین قطبیده(SP-STM)، یکی از انواع STM است که بر پایه اسپین الکترون، مغناطیس کردن نوک سوزن و شدت جریان تونلی می باشد. از این روش بعنوان رقیبی برای روش میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM) می توان اطلاعات مغناطیسی موضعی سطح نمونه را با رزولوشن اتمی بدست آورد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 5:میکروسکوپ تونلی روبشی با اسپین قطبیده(SP-STM)

نتیجه گیری
میکروسکوپ تونلی روبشی، اولین اختراع از مجموعه میکروسکوپ های پروبی روبشی می باشد که برای ایجاد تصاویر سه بعدی از سطوح مواد با دقت اتمی و تفکیک پذیری بالا استفاده می شود. اساس این میکروسکوپ مبتنی بر پدیده کوانتومی به نام تونل زنی است. تجهیزات این میکروسکوپ شامل نگهدارنده نمونه، سوزن و مجموعه مرتبط با آن، کنترل کننده الکترونیکی، رایانه جهت کنترل کننده الکترونیکی و نرم افزار پردازش تصویر می باشد.

فیلم زیر اساس کار میکروسکوپ تونلی روبشی ذکر شده، حالات کاری این میکروسکوپ به همراه مزایا و معایب آن ها توضیخ داده شده و اجزا اصلی میکروسکوپ تونلی روبشی ذکر شده است.



فیلم زیر بخش های مختلف دستگاه ذکر شده، درباره انواع زیرپایه مورد استفاده در دستگاه و نحوه آماده سازی نمونه توضیحاتی ارائه شده است.



منابـــع و مراجــــع

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

2. علیرضاذوالفقاری،محمدالماسی،پیروزمرعشی،مهردادنجبا،امیدسیفی،"میکروسکوپ پروبی روبشی آزمایشگاهی روی نوک سوزن"،تهران،پیکنور، (1385).

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

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

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

6. J. Foster, J. Frommer, Imaging of liquid crystal using a tunneling microscope, Nature 333, 542–547 (1988).

7. G. Binnig, C.F. Quate, C. Gerber, Atomic force microscope, Phys. Rev. Lett. 56, 930–933(1986).

8. G. Binnig, C. Gerber, E. Stoll, T.R. Albrecht, C.F. Quate, Atomic resolution with atomic force microscope, Europhys. Lett. 3, 1281–1286 (1987).

9. K. Yamanaka, H. Ogisco, O. Kolosov, Ultrasonic force microscopy for nanometer resolution subsurface imaging, Appl. Phys. Lett. 64, 178–180 (1994).

10. P.K. Hansma, J. Tersoff, Scanning tunneling microscopy, J. Appl. Phys. 61, R1–R23 (1987).

11. D. Sarid, V. Elings, Review of scanning forcemicroscopy, J. Vac. Sci. Technol. B 9, 431–437 (1991).

12. U. Durig, O. Zuger, A. Stalder, Interaction force detection in scanning probe microscopy: Methods and applications, J. Appl. Phys. 72, 1778–1797 (1992).

13. J. Frommer, Scanning tunneling microscopy and atomic force microscopy in organic chemistry, Angew. Chem. Int. Ed. 31, 1298–1328 (1992).

14. H.J. Guntherodt, R. Wiesendanger (Eds.), Scanning Tunneling Microscopy I: General Principles and Applications to Clean and Adsorbate-Covered Surfaces (Springer, Berlin, Heidelberg 1992).

15. R. Wiesendanger, H.J. Guntherodt (Eds.), Scanning Tunneling Microscopy II: Further Applications and Related Scanning Techniques (Springer, Berlin, Heidelberg 1992).

16. D.A. Bonnell (Ed.), Scanning Tunneling Microscopyand Spectroscopy – Theory, Techniques, and Applications (VCH, New York 1993).

17. O. Marti, M. Amrein (Eds.), STM and SFM in Biology (Academic, San Diego 1993).

18. J.A. Stroscio, W.J. Kaiser (Eds.), Scanning Tunneling Microscopy (Academic, Boston 1993) 102. H.J. Guntherodt, D. Anselmetti, E. Meyer (Eds.), Forces in Scanning Probe Methods (Kluwer, Dordrecht 1995).

19. Y. Martin, C.C. Williams, H.K. Wickramasinghe, Atomic force microscope-force mapping and profiling on a sub 100A ˚ scale, J. Appl. Phys. 61 4723–4729 (1987).

20. F.J. Giessibl, C. Gerber, G. Binnig, A low-temperature atomic force/scanning tunneling microscope for ultrahigh vacuum, J. Vac. Sci. Technol. B 9, 984–988 (1991).

21. V.N. Koinkar, B. Bhushan, Microtribological studies of unlubricated and lubricated surfaces using atomic force/friction force microscopy, J. Vac. Sci. Technol. A 14, 2378–2391 (1996).

22. H.J. Hug, A. Moser, T. Jung, O. Fritz, A. Wadas, I. Parashikor, H.J. Guntherodt, Low temperature magnetic force microscopy, Rev. Sci. Instrum. 64, 2920–2925 (1993).

23. C. Basire, D.A. Ivanov, Evolution of the lamellar structure during crystallization of a semicrystalline-amorphous polymer blend: Time-resolved hot-stage SPM study, Phys. Rev. Lett. 85, 5587–5590 (2000).

24. H. Liu, B. Bhushan, Investigation of nanotribological properties of self-assembled monolayers with alkyl and biphenyl spacer chains, Ultramicroscopy 91, 185–202 (2002).

25. D. Smith, H. Horber, C. Gerber, G. Binnig, Smectic liquid crystal monolayers on graphite observed by scanning tunneling microscopy, Science 245, 43–45 (1989).

26. D. Smith, J. Horber, G. Binnig, H. Nejoh, Structure, registry and imaging mechanism of alkylcyanobiphenyl molecules by tunnelling microscopy, Nature 344, 641–644 (1990).

27. Y. Andoh, S. Oguchi, R. Kaneko, T. Miyamoto, Evaluation of very thin lubricant films, J. Phys. D 25, A71–A75 (1992).

28. Paolo Samori, "Scanning Probe Microscopies Beyond Imaging", WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, (2006).

29. http://www.nobelprize.org/educational.

30. E. Delawski, B.A. Parkinson, "Layer-by-layer etching of two-dimensional metal chalcogenides with the atomic force microscope", J. Am. Chem. Soc. 114, 1661–1667 (1992).

31. B. Drake, C.B. Prater, A.L. Weisenhorn, S.A.C. Gould, T.R. Albrecht, C.F. Quate, D.S. Cannell, H.G. Hansma, P.K. Hansma, Imaging crystals, polymers and processes in water with the atomic force microscope, Science 243, 1586–1589 (1989).

32. B. Bhushan, G.S. Blackman, Atomic force microscopy of magnetic rigid disks and sliders and its applications to tribology, ASME J. Tribol. 113, 452–458 (1991).

33. O. Marti, B. Drake, P.K. Hansma, Atomic force microscopy of liquid-covered surfaces: atomic resolution images, Appl. Phys. Lett. 51, 484–486 (1987).

34. K.S. Birdi, "Scanningprobe microscopes : applications in science and technology",USA, (2003).

35. J. Stroscio, W.J. Kaiser (Eds.),"Scanning Tunneling Microscopy", Academic Press, (1993).

36. G. Binnig, H. Rohrer, Scanning tunnelling microscopy, Surf. Sci. 126, 236–244 (1983).

37. A. V.Clemente, K. Gloystein, N. Frangis, "Principles of Atomic Force Microscopy(AFM)", Physics of Advanced Materials Winter School, (2008).

38. http://www.sho.espci.fr.

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).

نظرات و سوالات

نظرات

4 -1

/ ناشناس /

عالی بود

3 -1

PEDRAM TAHERKHANI

با تشکر از شما. مقدمات STM را روان توضیح داده.