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 ۳,۲۲۹
  • بازدید این ماه ۱۰
  • بازدید امروز ۶
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

میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) از خانواده میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است و از آن برای بررسی سطوح مواد رسانا استفاده می‌شود. این میکروسکوپ می‌تواند در هوا و محیط‌های مایع کار کند. البته اغلب کارهای میکروسکوپ تونلی روبشی در خلاء بسیار بالا انجام می‌گیرد زیرا سطح بیشتر نمونه‌ها در هوا به سرعت اکسید می‌شود. محیط خلاء بسیار بالا از تشکیل اکسیدهای سطحی جلوگیری می‌کند و هدایت سطحی نمونه را حفظ می‌کند. همچنین، کار در دمای پایین نیز ترجیح داده می‌شود زیرا نفوذ اتم‌ها کاهش می‌یابد و به رسیدن به تصویرهای سطحی ثابت از اتم‌ها کمک می‌کند. البته دماهای بالاتر، محیطی را برای مشاهده فرآیندهای حرکتی اتم‌ها و مولکول‌ها فراهم می‌کند. در ادامه جزئیات بیشتری از این میکروسکوپ تشریح می‌گردد.
مقدمه
میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) از خانواده میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است و از آن برای بررسی سطوح مواد رسانا استفاده می‌شود. این میکروسکوپ می‌تواند در هوا و محیط‌های مایع کار کند. البته اغلب کارهای میکروسکوپ تونلی روبشی در خلاء بسیار بالا انجام می‌گیرد زیرا سطح بیشتر نمونه‌ها در هوا به سرعت اکسید می‌شود. محیط خلاء بسیار بالا از تشکیل اکسیدهای سطحی جلوگیری می‌کند و هدایت سطحی نمونه را حفظ می‌کند. همچنین، کار در دمای پایین نیز ترجیح داده می‌شود زیرا نفوذ اتم‌ها کاهش می‌یابد و به رسیدن به تصویرهای سطحی ثابت از اتم‌ها کمک می‌کند. البته دماهای بالاتر، محیطی را برای مشاهده فرآیندهای حرکتی اتم‌ها و مولکول‌ها فراهم می‌کند. در ادامه جزئیات بیشتری از این میکروسکوپ تشریح می‌گردد.

1- جریان تونلی
میکروسکوپ تونلی روبشی به جریان تونلی بین نوک پروب و اتم‌های سطحی وابسته است. در این میکروسکوپ، نوک سوزن با سطح در تماس نیست، اما در فواصل خیلی نزدیک از سطح نمونه (کم‌تر از 1 نانومتر) قرار می‌گیرد. اگر ولتاژ بالایی اعمال شود، جریان الکتریکی می‌تواند به فاصله بین دو هادی نفوذ کند، اما این جریان، جریان تونلی نیست. جریان تونلی پدیده مکانیک کوانتومی است. وقتی که سوزن به فاصله کم‌تر از 1نانومتر (معمولا 3/0تا 1 نانومتر) از سطح نمونه قرار داده شد، الکترون‌ها بر اساس پدیده‌ای کوانتومی، به نام تونل زنی، از نمونه به اتم‌های سوزن یا بالعکس (بسته به جهت ولتاژ بایاس) جریان می‌یابند. برای تولید جریان تونلی (It)، نوک سوزن نزدیک نمونه نگه داشته می‌شود و ولتاژ بایاس بین نوک سوزن و نمونه اعمال می‌شود. جریان تونلی را می‌توان از طریق معادله زیر به دست آورد.
(1)
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
Vb ولتاژ بایاس اعمالی بین نوک و سطح نمونه، C ثابت وابسته به طبیعت ماده و d نزدیک‌ترین فاصله بین نوک و سطح نمونه است. همان طور که از معادله 1 مشخص است، جریان تونلی به صورت نمایی با فاصله تغییر می‌کند و مقدار آن بین 10 پیکو آمپر تا 10 نانو آمپر است. برای تولید این جریان زمانی که فاصله در مقیاس بین اتمی است، تنها ولتاژ بایاس کوچکی (بین 1 میلی‌ولت تا 4 ولت) لازم است. زمانیکه فاصله بین نمونه و سوزن 1/0 نانومتر تغییر کند، جریان تونلی به شدت کاهش پیدا می‌کند. این دلیلی بر قدرت تفکیک بهتر از 1/0 نانومتری در این میکروسکوپ‌ها است.
همان طور که در بالا هم اشاره شد، برای کنترل دقیق فاصله بین نوک پروب و اتم‌های سطحی از روبشگر پیزوالکتریک استفاده می‌شود. پیزوالکتریک ماده‌ای است که در آن ولتاژ اعمالی موجب پاسخ مکانیکی می‌شود و بلعکس که برای جابجایی‌های بسیار دقیق با دقت آنگستروم استفاده می‌شود. یک تقویت کننده ولتاژ بالا، پتانسیل الکتریکی لازم برای فعال کردن روبش‌گر پیزوالکتریک را تامین می‌کند. جریان تونلی به عنوان کنترل‌کننده حرکت روبش‌گر پیزوالکتریک استفاده می‌شود. اصول کلی میکروسکوپ تونلی روبشی در شکل 1 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 1: اصول کلی میکروسکوپ تونلی روبشی

2- پروب
نوک پروب که جریان تونلی را ردیابی می‌کند از تنگستن یا آلیاژ پلاتین- ایریدیم ساخته می‌شود. با استفاده از فرآیند حکاکی الکتروشیمیایی، سیم تنگستنی نوک تیزی تولید می‌شود. برای هدایت الکتریکی خوب، اکسید سطحی تشکیل شده بر روی نوک، هنگام حکاکی باید جدا شود. سایر روش‌های تولید پروب شامل برش یا سایش مکانیکی است. اندازه و تیزی نوک، قدرت تفکیک عرضی میکروسکوپ تونلی روبشی را تعیین می‌کند. در حالت ایده‌آل، برای قدرت تفکیک اتمی، نوک پروب باید شعاع اتمی داشته باشد.

3- حالت‌های عملیاتی
چهار حالت عملیاتی در میکروسکوپ تونلی روبشی وجود دارد که عبارتند از: جریان ثابت، ارتفاع ثابت، حالت‌های طیف‌سنجی و دست‌کاری.
جریان ثابت رایج‌ترین حالت استفاده می‌باشد. از آنجاییکه جریان تونلی به فاصله نوک سوزن تا سطح وابسته است، برای ثابت ماندن جریان تونلی فاصله سوزن و نمونه در هر نقطه از نمونه باید ثابت نگه داشته شود. در این حالت، مکان سوزن وابسته به پستی بلندی‌های سطح نمونه بالا و پایین می‌رود. این کار توسط مدار بازخورد در دستگاه انجام می‌شود. برای مثال زمانی که دستگاه افزایش جریان تونلی را حس کند به معنای کم شدن فاصله سوزن و نمونه است، پس مدار بازخورد دستور افزایش ارتفاع سوزن را صادر می‌کند. این حالت قادر به روبش سطوح غیر صاف با دقت بالایی است، ولی زمان روبش طولانی است.
در حالت ارتفاع ثابت، سوزن در یک صفحه صاف بالای سطح نمونه حرکت می‌کند و نمونه را روبش می‌کند. برحسب تغییرات پستی و بلندی‌های روی سطح نمونه، فاصله سوزن از نمونه تغییر می‌کند و متناسب با آن جریان تونلی نیز تغییر می‌کند. جریان تونلی اندازه‌گیری شده در هر نقطه سطح نمونه در ایجاد تصویر کمک می‌کند. این حالت برای نمونه‌هایی با سطح صاف مناسب می‌باشد. همچنین، خطر برخورد نوک بر روی سطح نمونه و شکسته شدن نوک پروب، هنگام کار وجود دارد. مزیت این روش سرعت بالای روبش سطح است زیرا دستگاه مجبور به تغییر ارتفاع سوزن نسبت به پستی بلندی‌های سطح نیست. این دو حالت کاری در شکل2 زیر نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 2: حالت‌های کاری میکروسکوپ تونلی روبشی

حالت طیف‌سنجی، به عملیات ثبت جریان تونلی با تغییر فاصله نوک تا نمونه نسبت داده می‌شود. حالت طیف‌سنجی برای مطالعه خصوصیت‌های سطحی، مانند ابر رسانایی و جذب مولکولی بر روی فلز مفید است. برای ثبت طیف میکروسکوپ تونلی روبشی، نوک در موقعیتی بالای نمونه قرار می‌گیرد و جریان تونلی هنگامی که فاصله یا ولتاژ بایاس بین نوک و نمونه تغییر می‌کند، ثبت می‌شود.
حالت دست‌کاری به عملیات‌های جابه‌جاسازی یا کندن اتم‌ها از روی سطح نسبت داده می‌شود. شکل 3 جابجایی اتمی سطحی (اتم چسبیده به سطح) با دست‌کاری عمودی و عرضی را نشان می‌دهد. در دست‌کاری عمودی، اتم سطحی از سطح به نوک پروب منتقل می‌شود و سپس در موقعیت دیگری رسوب می‌کند. اتصال اتم به نوک و جدایش آن از نوک با تغییرات سریع ولتاژ کنترل می‌شود. در دست‌کاری عرضی، زمانی که پیوند ضعیفی بین اتم سطحی و نوک وجود دارد، اتم سطحی چسبیده به سطح باقی می‌ماند و در جهت عرضی توسط نوک پروب حرکت می‌کند. این روش برای کارهای جدی و نیز خیالی استفاده شده است. برای مثال، محققی در شرکت IBM، نمادی از IBM با چند اتم را با حالت دست‌کاری درمیکروسکوپ تونلی روبشی ساخته است.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 3: حالت دست‌کاری در میکروسکوپ تونلی روبشی : الف) جابجایی عمودی که اتم سطحی پیوندی قوی با نوک تشکیل می‌دهد و از سطح جدا می‌شود و سپس توسط نوک منتقل می‌شود و مجدد بر روی سطح رسوب می‌کند؛ ب) جابجایی عرضی که نوک پیوندی ضعیف با اتم سطحی تشکیل می‌دهد و آنرا در امتداد خط جابجایی حرکت می‌دهد.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 4: نشاندن اتم‌های آهن روی سطح مس با استفاده از میکروسکوپ پروبی روبشی

4- کاربردهای مرسوم
مهیج‌ترین کارکرد میکروسکوپ تونلی روبشی، توانایی آن در تصویربرداری از اتم‌ها است. اولین تصویر میکروسکوپ تونلی روبشی از سطح سیلیسیم در سال 1982 بود. سطح (111) از سیلیسیم با عملیات حرارتی تک‌بلور سیلیسیم، بالای 1000 درجه سانتیگراد تحت خلاء بسیار بالا به دست آمد. عملیات حرارتی، باعث از بین رفتن لایه اکسید سیلیسیم می‌شود. پس از سرد کردن آهسته، اتم‌های سطحی به صورت الگوی شبکه‌ای خاصی بازسازی شدند. شکل 5 تصویر بازسازی شده سطح(111) سیلیسیم 32×32 نانومتر را نشان می‌دهد که در آن سه پله سطحی وجود دارد. از میکروسکوپ تونلی روبشی به صورت موفقیت‌آمیزی برای تولید تصویرهای اتمی از مواد مختلف شامل فلزها (مانند طلا، مس، پلاتین و نیکل) و بلورهای لایه‌ای (مانند گرافیت وسولفید مولیبدن) استفاده شده است. میکروسکوپ تونلی روبشی حتی می‌تواند از اتم‌های جذب شده و تک‌مولکول‌ها بر روی سطوح تصویربرداری کند.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 5: تصویر میکروسکوپ تونلی روبشی از سطح 36× 32 نانومتر از صفحه‌های(111) سیلیسیم. اتم‌های سطحی بازسازی شده‌اند و یک تقارن 7×7 نشان می‌دهند.

در کل، توانایی میکروسکوپ تونلی روبشی در گرفتن تصویرهای اتمی به خوبی شناخته شده است. متاسفانه حدودیت‌هایی وجود دارد، به طور مثال نوک و سطح نمونه باید هاد‌ی‌های خوبی باشند تا جریان تونلی ایجاد شود. این موضوع به شدت موادی را که می‌توانند مورد مطالعه قرار گیرند محدود کرده است و منجر به توسعه میکروسکوپ نیروی روبشی (میکروسکوپ نیروی اتمی) شده است

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.



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.