برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۱,۴۶۷
  • بازدید این ماه ۸
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۷۷
  • قبول شدگان ۳۱۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۸۱
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۵
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 (2)

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 محاسبات مطرح در آن پرداخته خواهد شد.
مقدمه
اولین گروه از سیستم های میکروسکوپ پروبی روبشی، میکروسکوپ تونلی می باشد. مهمترین تکنولوژی در این سیستم ها، تکنولوژی سوزن هاست. در میکروسکوپ های 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، الکترون ها 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 [4و6].

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.
سوزن های 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 روش هایی نظیر سایش (grinding)، برش (cutting)، روش های نشر میدانی (field emission) یا روش های 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.
سوزن های Pt-Ir، عموما بصورت ماشینی و مکانیکی شکل دهی شده و تهیه می شوند این در حالی است که سوزن های تنگستنی نیز از سیم های 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 شیب های تند، امکان عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند. با وجودی که سوزن های 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 به عمل آمده، سوزن های الماسی نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. این سوزن ها 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.
پروب های 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، پروب های Pt-Ir با یک فیلم نارسانا پوشانده می شوند.

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.

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
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 هنگامی که 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.

عنوان : جریان تونل زنی

توضیحات : بطور کلاسیک، ذراتی که انرژی کافی برای عبور از سد پتانسیلی را ندارند، توسط مانع برمی گردند.اما در حالت تونل زنی بین نوک سوزن و سطح نمونه، الکترونها می توانند از سد پتانسیلی که ازانرژی خودشان بیشتر است عبور کنند. جریان تونل زنی در فاصله کمتر از 1 نانومتری سوزن از سطح نمونه ایجاد می شود.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 1:جریان تونل زنی

در STM ، سد توسط شکاف خلاء بین نمونه و سوزن ایجاد می شود [5, 6]. شکل 6 عبور موج از میان یک سد انرژی با اعمال ولتاژ بایاس را نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
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 می کند:

filereader.php?p1=main_cda522d4353b166cc
در اینجا m جرم ذرات و 34-10×1.05= ħ می باشند [4, 6].
مطابق شکل 7، زمانی که 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.

filereader.php?p1=main_46d46a759bf6cbed0
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 به صورت رابطه تقریبی زیر بیان می شود:

filereader.php?p1=main_8c6d22ff6f63fc671

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 به صورت 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 0/1 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 0/3 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]. شکل 8 تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن و نمونه را به خوبی نمایش می دهد.

filereader.php?p1=main_2e3f209d4f2bb3466
شکل8- تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن و نمونه[5]

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

filereader.php?p1=main_5c108ce0fe89d0632

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) [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 می شود:

filereader.php?p1=main_8717ce4dfdc86a4b5

که در آن:

filereader.php?p1=main_e1b8054c9cdd622c9

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:

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 می شود و سپس المان ماتریس برحسب رابطه فوق تعیین می گردد.
همچنین برای ولتاژهای کم، رابطه 6، بصورت زیر اصلاح می شود [4, 6]:

filereader.php?p1=main_b9d7e51eba2c6d155

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 اتم های 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].

عنوان : دستکاری اتم ها در میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)

توضیحات : یکی از گام های اساسی در نانوفناوری به کمک میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)، امکان دستکاری اتم های منفرد می باشد که در یکی از مدهای کششی، فشاری یا لغزشی انجام می شود. در مد کششی، ماده تحت تاثیر برهمکنش جاذبه، نوک سوزن بطور ناپیوسته دنبال می کند. در مد فشاری، مادر تحت تاثیر برهمکنش دافعه در جلو نوک حرکت می کند و در مد لغزشی، ماده در زیر نوک پروب جذب شده و بطور پیوسته حرکت می کند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 2:دستکاری اتم ها در میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

4-1- حالت جریان ثابت
شکل9، حالت (مد) جریان ثابت را نشان می دهد. یک سیستم بازخورد (feedback) ارتفاع سوزن را در راستای محور z 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.

filereader.php?p1=main_d9a9d61ef9ac1fb46
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 به علت 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.

عنوان : حالت جریان ثابت در میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

توضیحات : در حالت جریان ثابت در میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)، با روبش سطح توسط سوزن، جریان تونلی به علت ناهمواری های سطح تغییر می کند. سیستم بازخورد، ارتفاع سوزن را به سمت بالا و پایین تغییر می دهد تا جریان ثابت بماند. این حالت به سطوح زبر نیاز دارد و زمان بیشتری را نسبت به حالت ارتفاع ثابت، صرف روبش می کند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 3: حالت جریان ثابت در میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

باید توجه داشت چنانچه اتم های متفاوتی در ساختار یک نمونه حاضر باشند، ممکن است در یک ولتاژ بایاس مشخص، هر کدام از این اتم های مختلف، جریان های تونلی متفاوتی ایجاد کنند. بنابراین اطلاعات بدست آمده از ارتفاع ممکن است معیار صادقی از توپوگرافی سطح نمونه نباشند.

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).

عنوان : حالت ارتفاع ثابت در میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)

توضیحات : حالت ارتفاع ثابت در میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)، سوزن با ارتفاعی ثابت در بالای نمونه حرکت می کند و تصویر براساس تغییر جریان تونلی ایجاد می شود. در این حالت کاری، سیستم بازخورد خاموش است و سرعت روبش بالاتر از حالت جریان ثابت است اما تنها برای سطوحی مناسب است که ناهمواری های بلند نداشته باشد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 4:حالت ارتفاع ثابت در میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)

filereader.php?p1=main_ad304601e6638bf2b
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 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 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].

عنوان : ساختار الکترونی مکانی سطح با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی

توضیحات : از میکروسکوپ تونلی روبشی(STM) به دلیل حساس بودن به ساختار الکترونی موضعی ماده در حین روبش سطح، می توان برای تهیه نقشه سه بعدی ساختارالکترونی مکانی و یا منحنی های جریان ولتاژ در نقاط موضعی خاص استفاده نمود.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 5: ساختار الکترونی مکانی سطح با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی

نتیجه گیری
اساس کار در میکروسکوپ تونلی روبشی، پدیده کوانتومی به نام تونل زنی می باشد. در این میکروسکوپ ها جریان تونلی از آخرین اتم روی نوک سوزنی نوک تیز به اتم های روی سطح نمونه جریان می یابد و به این ترتیب رزولوشن اتمی را فراهم می گردد. در این میکروسکوپ ها، می توان سطوح را با رزولوشن کمتر از یک نانومتر بصورت افقی و تا کمتر از 1 آنگستروم بصورت عمودی، تصویر نمود. برای تهیه تصویر در میکروسکوپ های تونلی روبشی، از دو حالت کاری "جریان ثابت" و "ارتفاع ثابت" استفاده می شود. مهمترین مزیت حالت ارتفاع ثابت، سرعت بالای روبش و در حالت جریان ثابت، اندازه گیری سطوح ناصاف را با دقت بیشتر می باشد.

در فیلم زیر درباره انواع پروب های مورد استفاده در میکروسکوپ تونلی روبشی توضیحاتی ارائه شده 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. علیرضاذوالفقاری،محمدالماسی،پیروزمرعشی،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).