EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
2380
filereader.php?p1=main_8da843ff65205a613

موضوع: تجهیزات فناوری نانو

فصل: میکروسکوپ‌های پروبی روبشی


بخش‌ اول: مقدمه‌ای بر میکروسکوپ پروبی روبشی (SPM)
بخش دوم: میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)
بخش سوم: میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

بخش‌ اول: مقدمه‌ای بر میکروسکوپ پروبی روبشی (SPM)


نویسنده: فرزاد حسینی نسب


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. دستگاه‌های 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 روبشی (Scanning 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 آنجایی‌که 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 میکروسکوپ¬های نوری و الکترونی را تا مقیاس‌های طول موج محدود می‌کند). برهمکنش‌های میدان نزدیک درمیکروسکوپ پروبی روبشی امکان بدست 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 بخصوص قدرت تفکیک جانبی، می‌تواند بهتر از 0/1 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 مجزاکننده لرزش که به صورت طرح‌وار در شکل 1 نشان داده شده است. این اجزاء به اختصار در قسمت‌های بعدی معرفی می‌شوند.


filereader.php?p1=main_911af7aa209e00b49



filereader.php?p1=main_911af7aa209e00b49

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_911af7aa209e00b49

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 بدست می‌آید. حذف لرزش صوتی نیز با عملیات دستگاه در جعبه جامد حاصل می‌شود.




filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع



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.