برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۹/۰۹ تا ۱۳۹۸/۰۹/۱۵

مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۷۹۹
  • بازدید این ماه ۵۱
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۴۸
  • قبول شدگان ۲۲۷
  • شرکت کنندگان یکتا ۸۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۱
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 دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) (1)

در تقسیم‌بندی میکروسکوپ‌های پروبی روبشی، اولین میکروسکوپی که مورد بحث قرار خواهد گرفت، میکروسکوپ تونلی روبشی است. در این مقاله ضمن بیان اصول دستگاهی، نحوه عملکرد آن و مدهای کاری قابل استفاده توضیح داده می‌شوند. با توجه به پدیده کوانتومی تونل‎زنی، برخی روابط محاسباتی حوزه مذکور نیز مطرح می‌شود. همچنین در این مقاله به معرفی کلیات مطرح در این دسته از میکروسکوپ‌ها پرداخته خواهد شد.

1- مقدمه

در میکروسکوپ تونلی روبشی، سطح نمونه به وسیله سوزنی نوک تیز، به نام تیپ یا پروب روبش می‌شود. نوک یک پروب سالم و ایده‎آل، بسیار تیز بوده، به طوری که در نوک آن تنها یک اتم جای می‎گیرد؛ بنابراین از حساسیت بسیار بالایی برخوردار است و به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود می‌تواند در حد نانومتر، کوچک‎ترین پستی یا بلندی‎ها را در سطح نمونه آنالیز کند و با استفاده از تجهیزات و نرم‌افزارهای موجود در دستگاه، داده‎های به دست آمده را به صورت تصویر بر نمایشگر نمایش دهد [1,2].

 

2- تاریخچه
میکروسکوپ تونلی روبشی (STM= scanning tunneling microscope)، اولین عضو در خانواده میکروسکوپ‎های پروبی روبشی به شمار می‎آید. این میکروسکوپ در سال 1981 میلادی به وسیله دو تن از محققین سوئیسی به نام‎های 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 کرده و نشان دهند که این وسیله، راهکار تقریباً ساده و مؤثری جهت مطالعه سطوح ارائه می‌دهد [1, 3-5].
تکنیک ارائه شده توسط آن‌ها پس از به تصویر کشیدن ساختار اتمی تعدادی از مواد، از جمله سطح احیا شده سیلیکون، مورد تأیید و تصدیق قرار گرفت، به طوری که در سال 1986 میلادی، به جهت اختراع میکروسکوپ تونلی رویشی، هر دو محقق، موفق به کسب جایزه نوبل فیزیک شدند. میکروسکوپ تونلی رویشی در آن زمان، اولین ابزاری بود که قادر به ایجاد تصاویر سه بعدی از سطوح جامد با تفکیک‎پذیری و دقت اتمی بود [5,6].

 

3- دامنه کاربرد میکروسکوپ تونلی رویشی
میکروسکوپ تونلی روبشی، تنها می‎تواند جهت مطالعه سطوحی که از لحاظ الکتریکی رسانایی قابل قبولی دارند، مورد استفاده واقع شود [7,8].

 


چندرسانه‎ای 1:رسانایی نمونه در میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)


این میکروسکوپ‎ها در بازه وسیعی از بزرگنمایی‎ها از 103 تا 109 در جهات X,Y وZ، جهت تصویربرداری و ایجاد تصویر از مقیاس میکرو تا ابعاد اتمی با رزولوشن (resolution یا قدرت تفکیک) بالا یا به عنوان ابزار طیف‌نگاری (scanning tunneling spectroscopy یا طیف‌نگاری روبشی جریان تونلی) استفاده شده‎اند [9]. همچنین این ابزارها می‎توانند در هر محیطی، از قبیل محیط‎های معمولی [10-18]، اتمسفر [19,20]، گازهای گوناگون [21]، مایعات [22-24]، خلأ [6,25]، دماهای پایین (پایین‎تر از 100 کلوین) [4,22, 26-28] و نیز در دماهای بالا [23,24] مورد استفاده واقع شوند.

 


چندرسانه‌ای 2: محیط مورد استفاده در روش میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) - برای اجتناب از آلودگی سطح نمونه، از میکروسکوپ تونلی روبشی در شرایط خلأ (UHV-STM) استفاده می‎شود اما به علت سازگاری زیاد این روش، می‎توان از آن در محیط‎های عادی، مایعات، اتمسفر یا گازهای گوناگون استفاده کرد که برای حذف آلودگی‎های ناشی از محیط یا لایه اکسیدی، نمونه را در محیط شیمیایی خنثی یا مایع رقیق غیرقطبی قرار داده و سطح را بررسی می‎کنند.


تصویربرداری در مایعات امکان مطالعه نمونه‎های زنده زیستی را فراهم می‌آورد و زمانی که تصویربرداری نمونه‌های آبی در اتمسفر معمولی انجام می‎گیرد، نیروهای موئینگی موجود در فصل مشترک نمونه و سوزن را حذف می‌کند. زمانی که نمونه‎های زیستی یا آلی یا پدیده‎های دمای پایین از قبیل ابررسانایی یا چگالی بار الکتریکی مطالعه می‎شوند، تصویربرداری دمای پائین (دماهای محدوده هلیوم مایع)، مفید خواهد بود. همچنین تصویربرداری در دمای پایین، به دلیل کاهش نوسانات دمایی، جهت به تصویر کشیدن نیروها، با حساسیت بالا، سودمند است.
به علاوه جهت تصویربرداری سیالاتی از قبیل کریستال‎های مایع و مولکول‎های روانساز (lubricant molecules) روی سطوح گرافیتی، از این روش استفاده شده است [6, 25-27]. شکل 1 تصویر میکروسکوپ تونلی روبشی سطوح دو نمونه نیکلی و پلاتینی را به خوبی نشان می‎دهد.

 


شکل 1- تصویر میکروسکوپ تونلی روبشی الف) سطح نیکل و ب)سطح پلاتین [29]

 

همچنین در ایجاد خصیصه‌های ویژه در مقیاس نانو از طریق گرم کردن موضعی یا القای واکنش‌های شیمیایی در زیر سوزن از طریق نانوماشینکاری (nanomachining)، از میکروسکوپ STM بهره گرفته شده است [30-33]. در جدول 1، برخی مواد بررسی شده توسط STM تحت شرایط مختلف به عنوان نمونه معرفی شده است [34].

 

جدول 1- برخی مواد بررسی شده توسط STM تحت شرایط مختلف [34]

 

4- سیستم دستگاهی میکروسکوپ تونلی رویشی
به طور کلی لوازم دستگاهی در STM، شامل موارد زیر می‌شوند:
• نگهدارنده نمونه
• سوزن و مجموعه مرتبط با آن
• کنترل‎کننده الکترونیکی
• رایانه جهت کنترل‎کننده الکترونیکی
• نرم‎افزار جهت پردازش تصویر [35]

میکروسکوپ‎های تونلی روبشی از یک سوزن (پروب) تیز برای روبش استفاده می‎کنند. یک ولتاژ بایاس مناسب (10 میلی ولت تا یک ولت)، بین سوزن (به عنوان قسمتی از مدار الکتریکی) و سطح نمونه (قسمت دیگر مدار الکتریکی) اعمال می‎شود. وقتی که سوزن به فاصله کمتر از 10 آنگستروم (معمولاً حدود 0.3 تا 1 نانومتر) از سطح نمونه قرار داده شد، الکترون‌ها بر اساس پدیده‎ای کوانتومی، به نام تونل‎زنی (tunneling)، از نمونه به اتم‌های سوزن یا بالعکس (بسته به جهت ولتاژ بایاس) جریان می‌یابند، به طوری که بیش از 90% جریان تونلی از انتهایی‎ترین اتم سوزن به نمونه (یا بالعکس) جاری می‌شود (شکل2)[2,4].

 


چندرسانه‎ای 3: دستگاه‎وری میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)


در این حالت جریان تونلی از 0.2nA تا 10nA تغییر کرده و سوزن روی سطح، عملیات روبش را انجام می‎دهد [3-5, 36].
شکل 2 شماتیک برهمکنش سوزن و نمونه و برقراری جریان تونلی در فاصله آنگسترومی سوزن از سطح نمونه را نشان می‌دهد.

 


شکل 2- شماتیک برهمکنش سوزن و نمونه و برقراری جریان تونلی در فاصله آنگسترومی سوزن از سطح نمونه. بیش از %90 جریان الکترون از انتهایی‌ترین اتم سوزن جاری می‌شود [2,4].

 

از آنجا که جریان تونلی یک تابع حساس به پهنای شکاف d است، با تغییر فاصله سوزن تا نمونه تغییر می‌کند و به عنوان سیگنالی برای تصویرسازی STM استفاده می‌شود [3].

 


شکل 3- برقراری جریان تونلی در فاصله و ولتاژ مناسب [37]

 

در یک دستگاه معمولی (شکل 4)، به منظور روبش سطح، سوزن فلزی به کمک فعال‎کننده‎های پیزوالکتریک قائم الزاویه و عمود برهم، در سه جهت حرکت می‌کند. در این حالت، برهمکنش کوتاه برد که رزولوشن مطلوب را می‌دهد، توسط این پروب موضعی دریافت می‎شود. نمونه از طریق شناوری مغناطیسی ابررسانا (superconducting magnetic levitation) یا یک سیستم فنر دو مرحله‌ای، جهت دستیابی به یک فاصله پایدار (پهنای شکاف) بین پروب وسطح، نصب می‌شود. پروب نیز سطح مورد مطالعه را روبش کرده و مقادیر اندازه‎گیری شده، در سیستم ثبت می‌شود. در این بین، یک سیستم بازخورد (feedback)، ارتفاع پروب را تغییر داده تا جریان الکتریکی ثابت بماند. کنترل‌کننده الکترونیک، پروب را در فاصله مربوط به جریان تونلی از پیش تعیین شده، تنظیم می‌کند. این فاصله توسط یک کامپیوتر به عنوان تابعی از موقعیت جانبی (lateral) ثبت می‌شود. جابه‌جایی پروب دراثر ولتاژ اعمالی به پیزوالکتریک، نهایتاً سیگنال‌های تهیه نقشه توپوگراف یک سطح را در نرم‎افزار دستگاه ایجاد می‌کند تا پس از پردازش رایانه‌ای، درنمایشگر به صورت تصویر حاصله از نمونه، ظاهر شود.

 


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


باید توجه داشت از آنجا که پایداری مکانیکی زیاد دستگاه، پیش شرط اندازه‌گیری موفقیت‎آمیز در مقیاس اتمی است، بنابراین ضروری است دستگاه STM دارای ساختاری صلب و از نظر ارتعاشات ایزوله باشد تا بتواند محل قرار گرفتن سوزن روی سطح نمونه را با دقت اتمی و به صورت تکرارپذیر تعیین کند [2-5, 36].


شکل 4- طرح شماتیک اجزای اصلی میکروسکوپ تونلی روبشی. یک روبشگر پیزوالکتریک xyx سوزن را روی سطح حرکت می‌دهد. می‌توان از یک مدار بازخورد برای ثابت نگه داشتن جریان تونلی استفاده کرد [38].

 


چندرسانه‌ای 5: میکروسکوپ تونلی روبشی با اسپین قطبیده (SP-STM) - 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 است. از این روش به عنوان رقیبی برای روش میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM) می‎توان اطلاعات مغناطیسی موضعی سطح نمونه را با رزولوشن اتمی به دست آورد.

 

نتیجه‌گیری
میکروسکوپ تونلی روبشی، اولین اختراع از مجموعه میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است که برای ایجاد تصاویر سه بعدی از سطوح مواد با دقت اتمی و تفکیک‌پذیری بالا استفاده می‌شود. اساس این میکروسکوپ مبتنی بر پدیده کوانتومی به نام تونل‎زنی است. تجهیزات این میکروسکوپ شامل نگهدارنده نمونه، سوزن و مجموعه مرتبط با آن، کنترل‌کننده الکترونیکی، رایانه جهت کنترل‎کننده الکترونیکی و نرم‌افزار پردازش تصویر است.

در فیلم زیر اساس کار میکروسکوپ تونلی روبشی ذکر شده، حالات کاری این میکروسکوپ به همراه مزایا و معایب آن‎ها توضیح داده شده و اجزای اصلی میکروسکوپ تونلی روبشی ذکر شده است.

 


در فیلم زیر بخش‌های مختلف دستگاه ذکر شده و درباره انواع زیرپایه مورد استفاده در دستگاه و نحوه آماده‌سازی 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).