برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۸۹۵
  • بازدید این ماه ۴۱
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

مقدمه‌ای بر میکروسکوپ پروبی روبشی (SPM)

از اوایل دهه 1990 میکروسکوپ‌های پروبی روبشی Scanning Probe Microscope (SPM) برای دست‌یابی به قدرت تفکیک‌های مناسب‌تر در حد آنگستروم ابداع شدند. در مقایسه با میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی، میکروسکوپ‌های پروبی روبشی روشی جدید برای مشخصه‌یابی مواد نانوساختار هستند. این میکروسکوپ‌ها علاوه بر تصویردهی از سطح مواد، قابلیت بررسی خواص سطحی مواد نظیر خواص الکتریکی، مغناطیسی، نوع پیوندهای شیمیایی و غیره را نیز دارند. دستگاه-های این خانواده با استفاده از یک سوزن بسیار تیز سطح را روبش کرده و بسته به نوع دستگاه، خواص سطحی مورد نظر را تصویر می‌کنند. مانند خانواده میکروسکوپ‌های الکترونی که شامل دو زیرمجموعه عبوری و روبشی بودند، خانواده میکروسکوپ‌های پروبی روبشی نیز از زیرمجموعه‌هایی تشکیل شده‌اند که به بررسی خواص سطحی مواد از مقیاس اتمی تا میکرونی می‌پردازند.
مقدمه
از اوایل دهه 1990 میکروسکوپ‌های پروبی روبشی Scanning Probe Microscope (SPM) برای دست‌یابی به قدرت تفکیک‌های مناسب‌تر در حد آنگستروم ابداع شدند. در مقایسه با میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی، میکروسکوپ‌های پروبی روبشی روشی جدید برای مشخصه‌یابی مواد نانوساختار هستند. این میکروسکوپ‌ها علاوه بر تصویردهی از سطح مواد، قابلیت بررسی خواص سطحی مواد نظیر خواص الکتریکی، مغناطیسی، نوع پیوندهای شیمیایی و غیره را نیز دارند. دستگاه-های این خانواده با استفاده از یک سوزن بسیار تیز سطح را روبش کرده و بسته به نوع دستگاه، خواص سطحی مورد نظر را تصویر می‌کنند. مانند خانواده میکروسکوپ‌های الکترونی که شامل دو زیرمجموعه عبوری و روبشی بودند، خانواده میکروسکوپ‌های پروبی روبشی نیز از زیرمجموعه‌هایی تشکیل شده‌اند که به بررسی خواص سطحی مواد از مقیاس اتمی تا میکرونی می‌پردازند.
به دلیل امکان دیدن اتم‌ها، میکروسکوپ پروبی روبشی به عنوان قدرتمندترین ابزار موجود برای بررسی ساختار سطحی مورد توجه است. ساخت این میکروسکوپ با اختراع میکروسکوپ تونلی روبشی Scanning Tunneling Microscope (STM) در سال 1982 آغاز شد. میکروسکوپ تونلی روبشی از جریان تونلی که پدیده‌ای از مکانیک کوانتوم است، برای بررسی سطوح مواد رسانا استفاده می‌کند. جریان تونلی از طریق فاصله اتمی بین نوک فلزی تیز و اتم‌های سطحی، جریان پیدا می‌کند. در اواخر دهه 1980 عضو دیگر میکروسکوپ پروبی روبشی به نام میکروسکوپ نیروی روبشیScanning Force Microscope (SFM) اختراع شد. نام رایج‌تر میکروسکوپ نیروی روبشی، میکروسکوپ نیروی اتمی Atomic Force Microscope (AFM)است. میکروسکوپ نیروی اتمی از نیروهای میدان نزدیک بین اتم‌های نوک پروب و سطح برای تولید نشانه‌های ساختار سطح استفاده می‌کند. از آنجایی که میکروسکوپ نیروی اتمی محدود به سطوح هادی الکتریکی نیست، گسترده‌تر از میکروسکوپ تونلی روبشی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

1- تجهیزات میکروسکوپ پروبی روبشی
مشخصه‌ی اصلی میکروسکوپ پروبی روبشی، نوک تیز پروب است که سطح نمونه را روبش می‌کند. نوک باید در مجاورت بسیار نزدیک به سطح باقی بماند، زیرا میکروسکوپ پروبی روبشی از برهمکنش‌های میدان نزدیک بین نوک و سطح نمونه استفاده می‌کند. این مشخصه میدان نزدیک، محدودیت قدرت تفکیک میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی را حذف می‌کند، زیرا قدرت تفکیک آنها توسط برهمکنش‌های میدان دور بین موج‌های نوری یا الکترونی و نمونه محدود می‌شود (پراش موج‌های نوری یا الکترونی مربوط به برهمکنش‌های میدان دور، قدرت تفکیک میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی را تا مقیاس‌های طول موج محدود می‌کند). برهمکنش‌های میدان نزدیک درمیکروسکوپ پروبی روبشی امکان به دست آوردن تصویر حقیقی از اتم‌های سطحی را فراهم می‌کند، زیرا میکروسکوپ پروبی روبشی، شکل اتم‌های سطحی را در جهت‌های عمودی و جانبی به دقت اندازه‌گیری می‌کند. قدرت تفکیک جانبی و عمودی و به خصوص قدرت تفکیک جانبی، می‌تواند بهتر از 1/0 نانومتر باشد. محدوده جانبی و عمودی اندازه‌گیری در میکروسکوپ پروبی روبشی به ترتیب تا 100 و 10 میکرومتر هستند.
میکروسکوپ پروبی روبشی باید در محیطی عاری از لرزش کار کند، زیرا فاصله پروب تا سطح تنها در حد فاصله اتمی است. جدول 1 مقایسه مختصری بین میکروسکوپ پروبی روبشی و میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی را فراهم کرده است.
دستگاه میکروسکوپ پروبی روبشی از چند جزء اساسی تشکیل شده است. پروب و حسگر متحرک آن، روبش‌گر، کنترل‌کننده الکتریکی، رایانه و سیستم مجزا کننده لرزش که به صورت طرح‌وار در شکل 1 نشان داده شده است. این اجزاء به اختصار در قسمت‌های بعدی معرفی می‌شوند.

جدول 1: مقایسه روش‌های میکروسکوپی سطحی
filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a

filereader.php?p1=main_c51ce410c124a10e0
شکل 1: اجزاء اصلی میکروسکوپ پروبی روبشی

1-1- پروب و روبش‌گر
پروب اساسی‌ترین جزء میکروسکوپ پروبی روبشی است که به طور مستقیم در واکنش متقابل با سطح نمونه است. پروب می‌تواند بر روی سطح ثابت روبش کند و یا اینکه ثابت باشد، در حالیکه سطح نمونه توسط روبش‌گر که زیر آن است، حرکت کند.
میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) در جنس ماده پروب و چگونگی کار حسگر متفاوت هستند. در میکروسکوپ تونلی روبشی، پروب بیشتر از سیم تنگستنی ساخته می‌شود. سیم تنگستنی جریان تونلی جاری بین اتم‌های سطح و اتم‌های نوک را هدایت می‌کند. در میکروسکوپ نیروی اتمی، نوک پروب بیشتر از اکسید سیلیسیم یا نیترید سیلیسیم ساخته می‌شود و بر روی فنر تیرک نصب می‌شود. در میکروسکوپ تونلی روبشی، جریان تونلی برای دریافت فاصله بین پروب و سطح نمونه استفاده می‌شود. در میکروسکوپ نیروی اتمی، نیروهای میدان نزدیک بین نوک و نمونه برای دریافت فاصله استفاده می‌شوند. پروبی که بر روی نمونه در سه جهت و با دقت حرکت می‌کند، توسط روبش‌گر کنترل می‌شود. اگر قدرت تفکیک در حد اتمی مورد نیاز باشد، لازم است تا پروب روبش‌کننده با دقت 1 پیکومتر (12-10 متر) موضع‌گیری کند. برای رسیدن به این سطح از دقت، روبش‌گر از مواد پیزوالکتریک ساخته می‌شود. مواد پیزوالکتریک در میدان الکتریکی تغییر شکل داده و یا اینکه به دلیل تغییر شکل، تولید میدان الکتریکی می‌کنند. طول نسبی تغییر شکل متناسب با ولتاژ اعمالی (E) است.

1-2- کنترل و ایزوله کردن لرزش
بر خلاف میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی که می‌توانند بدون رایانه کار کنند، میکروسکوپ پروبی روبشی دستگاهی وابسته به رایانه است.

filereader.php?p1=main_aab3238922bcc25a6
شکل 2: میکروسکوپ تونلی روبشی. روبش‌گر نوک را به روی سطح نمونه حرکت می‌دهد و حلقه بازخورد جریان تونلی را ثابت نگه می‌دارد.

رایانه اطلاعات جمع‌آوری شده را پردازش می‌کند. این دستگاه همچنین می‌تواند نقص در اطلاعات هنگام بی‌ثباتی تجهیزات و نیز قسمت‌های ساختگی که می‌تواند به دلیل اثرات پیزوالکتریک دراطلاعات سطحی ظاهر شود را تصحیح کند. رایانه تصویرهای سطحی میکروسکوپ پروبی روبشی را با استفاده از اطلاعات جمع‌آوری شده توسط نرم افزاری قوی پردازش و تولید می‌کند.
برای رسیدن به قدرت تفکیک بالا، میکروسکوپ پروبی روبشی باید از هرگونه لرزش در اطراف خود جدا شود زیرا کارایی آن به تنظیم دقیق فاصله بین پروب مکانیکی و سطح نمونه وابسته است. تداخل‌های رایج، لرزش‌های کف اتاق و لرزش صوتی هستند. حذف لرزش کف با نصب میکروسکوپ پروبی روبشی بر روی فنر پایه لاستیکی به دست می‌آید. حذف لرزش صوتی نیز با عملیات دستگاه در جعبه جامد حاصل می‌شود.

منابـــع و مراجــــع

1. Meyer, E., Hug, H.J. and Bennewitz, R. (2004) Scanning Probe Microscopy: the Lab on a Tip, Springer-Verlag,Berlin.

2. Birdi, K.S. (2003) Scanning Probe Microscopes, CRC Press, Boca Raton.

3. Wiesendanger, R. (ed.) (1998) Scanning Probe Microscopy, Springer, Berlin.

4. Wiesendanger, R. (1994) Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge University Press, Cambridge,UK.

5. Braga, P.C. and Ricci, D. (eds) (2004) Atomic Force Microscopy, Humana Press.

6. Morita, S., Wiesendanger, R. and Meyer, E. (eds) (2002) Noncontact Atomic Force Microscopy, Springer-VerlagGmbH, Berlin.

7. Ratner, B.D. and Tsukruk,V.V. (eds) (1998) Scanning Probe Microscopy of Polymers, American Chemical Society,Washington DC.