میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)

۱- مقدمه

تهیه تصاویر با دقت و قدرت تفکیک بالا تاثیر بسزایی در بررسی دقیق خواص مواد دارد، از همین رو تلاش‌های بسیاری جهت ساخت ابزارهای مفیدی که به کمک آنها بتوان این تصاویر را تهیه نمود، صورت گرفته است. میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) یکی از اولین میکروسکوپ‌هایی است که قادر به تهیه تصاویری با دقت اتمی از مواد بودند. در این میکروسکوپ سطح نمونه بوسیله سوزنی نوک تیز، به نام تیپ یا پروب روبش می‌شود. اساس تهیه تصویر در این میکروسکوپ براساس پدیده‌ای کوانتومی به نام تونل‌زنی الکترونی است. در این میکروسکوپ نوک یک پروب سالم و ایده‌آل، بسیار تیز بوده، بطوری‌که 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 نماید و با استفاده از تجهیزات و نرم افزارهای موجود در دستگاه، داده‌های بدست آمده را بصورت تصویر در نمایشگر نمایش دهد [۲و۱].

۲- تاریخچه

میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)^[۱]، اولین عضو در خانواده میکروسکوپ‌های پروبی روبشی بشمار می‌آید. این میکروسکوپ در سال ۱۹۸۱ میلادی بوسیله دو تن از محققین سوئیسی بنام‌های گرد کارل بینیگ^[۲] و هاینرک رورر^[۳] 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 نموده و نشان دهند که این وسیله، راهکار تقریبا ساده و مؤثری جهت مطالعه سطوح ارائه می‌دهد [۳].

تکنیک ارائه شده توسط آن‌ها پس از به تصویر کشیدن ساختار اتمی تعدادی از مواد، از جمله سطح احیاء شده سیلیکون، مورد تأیید و تصدیق قرار گرفت، بطوریکه در سال ۱۹۸۶ میلادی، به جهت اختراع میکروسکوپ تونلی روبشی، هر دو محقق، موفق به کسب جایزه نوبل فیزیک گردیدند. میکروسکوپ تونلی روبشی در آن زمان، اولین ابزاری بود که قادر به ایجاد تصاویر سه بعدی از سطوح جامد با تفکیک‌پذیری و دقت اتمی بود[۳].

۳- دامنه کاربرد میکروسکوپ تونلی روبشی

میکروسکوپ تونلی روبشی، تنها می‌تواند جهت مطالعه سطوحی که از لحاظ الکتریکی رسانایی قابل قبولی دارند، مورد استفاده واقع شود[۴]. این میکروسکوپ‌ها در بازه وسیعی از بزرگنمایی‌ها از ^۳-۱۰ تا ۱۰^۹ در جهات X، Y و Z، جهت تصویربرداری و ایجاد تصویر از مقیاس میکرو تا ابعاد اتمی با رزولوشن^[۴] (قدرت تفکیک) بالا و یا به‌عنوان ابزار طیف‌نگاری (طیف‌نگاری روبشی جریان تونلی)^[۵] استفاده شده‌اند[۵]. همچنین این ابزارها می‌توانند در هر محیطی، از قبیل محیط‌های با فشار اتمسفر[۶]، در حضورگازهای گوناگون[۷]، در مایعات[۸]، درخلاء بالا[۹]، در دماهای پایین (پایین‌تر از ۱۰۰ کلوین) [۱۱و۱۰] و نیز در دماهای بالا[۱۲] مورد استفاده واقع شوند.

تصویربرداری در مایعات امکان مطالعه نمونه‌های زنده زیستی را فراهم می‌آورد و زمانیکه تصویربرداری نمونه‌های آبی در اتمسفر معمولی انجام می‌گیرد، نیروهای موئینگی موجود در فصل مشترک نمونه و سوزن را حذف می‌کند. زمانیکه 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 تصویر برداری در دمای پایین، بدلیل کاهش نوسانات دمایی، جهت به تصویر کشیدن نیروها، با حساسیت بالا، سودمند می‌باشد.

به علاوه جهت تصویربرداری سیالاتی از قبیل کریستال‌های مایع و مولکول‌های روانساز روی سطوح گرافیتی، از این روش استفاده شده است[۱۳]. شکل ۱ تصویر میکروسکوپ تونلی روبشی سطوح دو نمونه نیکلی و پلاتینی را به خوبی نشان می‌دهد.

شکل ۱- تصویر میکروسکوپ تونلی روبشی الف) سطح نیکل، ب)سطح پلاتین[۱۵و۱۴]

همچنین در ایجاد خصیصه‌های ویژه در مقیاس نانو از طریق گرم کردن موضعی یا القای واکنش‌های شیمیایی در زیر سوزن از طریق نانوماشین‌کاری، از میکروسکوپ STM بهره گرفته شده است[۱۶]. در جدول۱، برخی مواد بررسی شده توسط STM تحت شرایط مختلف به عنوان نمونه معرفی شده است[۱۷].

جدول ۱-  برخی مواد بررسی شده توسط STM تحت شرایط مختلف [۱۷ و۱۴].

قدرت تفکیک جانبی و عمودی و به خصوص قدرت تفکیک جانبی، می‌تواند بهتر از ۰/۱ نانومتر باشد. محدوده جانبی و عمودی اندازه‌‌گیری در میکروسکوپ پروبی روبشی به ترتیب تا ۱۰۰ و ۱۰ میکرومتر هستند. میکروسکوپ پروبی روبشی باید در محیطی عاری از لرزش کار کند، زیرا فاصله پروب تا سطح تنها در حدفاصله اتمی است. جدول۲ مقایسه مختصری بین میکروسکوپ پروبی روبشی و میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی را فراهم کرده است.

جدول ۲- مقایسه عملکرد میکروسکوپ‌های پروبی روبشی در مقابل میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی

۴- سیستم دستگاهی میکروسکوپ تونلی روبشی
بطور کلی لوازم دستگاهی در STM، شامل موارد زیر می‌شوند:
-نگهدارنده نمونه
-پروب و مجموعه مرتبط با آن
-کنترل‌کننده الکترونیکی
-رایانه جهت کنترل‌کننده الکترونیکی
-نرم افزار جهت پردازش تصویر

میکروسکوپ‌های تونلی روبشی معمولا از یک سوزن (پروب) تیز از جنس تنگستن یا آلیاژ پلاتین- ایریدیوم برای روبش سطح نمونه استفاده می‌کنند. یک ولتاژ بایاس مناسب (۱۰ میلی‌ولت تا یک ولت)، بین سوزن (به‌عنوان قسمتی از مدار الکتریکی) و سطح نمونه (قسمت دیگر مدار الکتریکی) اعمال می‌شود. وقتی که سوزن به فاصله کمتر از ۱۰ آنگستروم (معمولا حدود ۰/۳ تا ۱ نانومتر) از سطح نمونه قرار داده شد، الکترون‌ها بر اساس پدیده‌ای کوانتومی، به نام تونل‌زنی^[۶]، از نمونه به اتم‌های سوزن یا بالعکس (بسته به جهت ولتاژ بایاس) جریان می‌یابند، بطوری‌که بیش از ۹۰% جریان تونلی از انتهایی‌ترین اتم سوزن به نمونه (و یا بالعکس) جاری می‌گردد (شکل۲).

در این حالت جریان تونلی از  ۰/۲nA تا ۱۰nA تغییر کرده و سوزن روی سطح، عملیات روبش را انجام می‌دهد. شکل۲ شماتیک برهمکنش سوزن و نمونه و برقراری جریان تونلی در فاصله آنگسترومی سوزن از سطح نمونه را نشان می‌دهد.

شکل ۲- شماتیک برهمکنش سوزن و نمونه و برقراری جریان تونلی در فاصله آنگسترومی سوزن از سطح نمونه. بیش از ۹۰٪ جریان الکترون از انتهایی‌ترین اتم سوزن جاری می‌گردد [۱۸].

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

شکل ۳- برقراری جریان تونلی در فاصله و ولتاژ مناسب[۱۷].

برای کنترل فاصله بین سطح نمونه و نوک پروب از یک قطعه پیزوالکتریک استفاده می‌شود. پیزوالکتریک ماده است که در اثر اعمال جریان الکتریکی، کار مکانیکی انجام می‌دهد و در صورت اعمال کار مکانیکی بر روی آن قادر به تولید جریان الکتریکی متناسب با کار مکانیکی اعمال شده است. شکل ۴ شماتیک میکروسکوپ STM را نشان می‌دهد.

شکل ۴- اجزای مختلف میکروسکوپ تونلی روبشی

۵- حالت‌های عملیاتی

میکروسکوپ‌های تونلی روبشی در چهار مد کاری جریان ثابت، ارتفاع ثابت، طیف‌سنجی و دستکاری اتمی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در مد کاری جریان ثابت که متداول‌ترین مد کاری در این میکروسکوپ به شمار می‌رود، همواره جریان ثابتی بین نوک پروب و سطح نمونه برقرار است و از حرکت‌های عمودی پروب به سمت بالا و پایین تصویر ثبت می‌شود. به طور مثال هنگامی که نوک پروب به یک برآمدگی در سطح نمونه برسد، جریان تونلی افزایش می‌یابد و چون در این مد کاری جریان بین سطح نمونه و پروب باید ثابت بماند، بنابراین پروب با حرکت به سمت بالا جریان را همچنان ثابت نگه می‌دارد. هنگامی که پروب به یک فرورفتگی در سطح نمونه برسد، افت جریان سبب می‌شود پروب به سمت پایین حرکت کرده تا همچنان جریان الکتریکی برقرار شده بین سطح نمونه و پروب ثابت باقی بماند. حرکت پروب به سمت بالا و پایین منجر به کار مکانیکی بر روی قطعه پیزو الکتریک شده و متناسب با کار انجام شده جریان الکتریکی جهت ثبت تصویر ایجاد می‌شود. این مد کاری برای ثبت تصویر از سطوح ناصاف متداول‌تر بوده اما زمان روبش سطح نمونه طولانی است.

در مد کاری ارتفاع ثابت، پروب در فاصله ثابتی از سطح نمونه عملیات روبش را انجام می‌دهد. در نتیجه با رسیدن پروب به برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های سطح نمونه به ترتیب جریان برقرار شده بین نوک پروب و سطح نمونه افزایش و کاهش می‌یابد. از تغییرات بوجود آمده در جریان الکتریکی بین سطح نمونه و پروب برای تشکیل تصویر استفاده می‌شود. این مد کاری بیشتر برای سطوح صاف بکار گرفته می‌شود و سرعت روبش سطح در این مد کاری از مد جریان ثابت به مراتب بالاتر است. شکل ۵ مدهای کاری میکروسکوپ تونلی روبشی برای ثبت تصویر از توپوگرافی سطح نمونه را نشان می‌دهد.

شکل ۵- مدهای کاری میکروسکوپ تونلی روبشی برای ثبت توپوگرافی‌های سطح نمونه

در مد طیف‌سنجی از تغییرات جریان تونلی بین نوک پروب و سطح نمونه برای بررسی برخی از خواص سطح نمونه نظیر خواص مغناطیسی، ابررسانایی و جذب مولکولی استفاده می‌شود.

در مد دستکاری اتمی از پروب برای جداسازی یا جابجایی اتم‌ها در سطح نمونه استفاده می‌شود. در جابجایی عمودی با تغییر ناگهانی جریان تونلی یک اتم از سطح ماده برداشته شده و در جای دیگری از سطح قرار داده می‌شود. در جابجایی عرضی اتمی، اتم‌هایی که دارای پیوند ضعیف با ماده هستند، با استفاده از پروب در جهت عرضی بر روی سطح جابجا می‌شوند. شکل ۶ جابجایی عمودی و عرضی اتم‌ها در سطح نمونه را نشان می‌دهد.

باید توجه داشت، از آنجا که پایداری مکانیکی زیاد دستگاه، پیش شرط اندازه‌گیری موفقیت آمیز در مقیاس اتمی است، بنابراین ضروری است دستگاه STM دارای ساختاری صلب و از نظر ارتعاشات ایزوله باشد تا بتواند محل قرارگرفتن سوزن روی سطح نمونه را با دقت اتمی و بصورت تکرارپذیر تعیین نماید[۱۹].

۶- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

میکروسکوپ تونلی روبشی، اولین اختراع از مجموعه میکروسکوپ‌های پروبی روبشی می‌باشد 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 تونل زنی است. تجهیزات این میکروسکوپ شامل نگهدارنده نمونه، سوزن و مجموعه مرتبط با آن، کنترل کننده الکترونیکی، رایانه جهت کنترل کننده الکترونیکی و نرم افزار پردازش تصویر می‌باشد. این تصاویر سه بعدی که دارای دقت اتمی و قدرت تفکیک بالا هستند به ما در بررسی توپوگرافی سطوح کمک می‌کنند. همچنین می‌توان در مد طیف‌سنجی از تغییرات جریان تونلی بین نوک پروب و سطح نمونه برای بررسی برخی از خواص سطح نمونه نظیر خواص مغناطیسی، ابررسانایی و جذب مولکولی و در مد دستکاری اتمی از پروب برای جداسازی یا جابجایی اتم‌ها در سطح نمونه استفاده کرد.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۷- منابـــع

[1]. علیرضاذوالفقاری، محمدالماسی،پیروزمرعشی،مهردادنجبا،امیدسیفی،"میکروسکوپ پروبی روبشی آزمایشگاهی روی نوک سوزن"،تهران،پیکنور، (۱۳۸۵).

[2]. Bharat Bhushan, "Springer Handbook of Nanotechnology", USA, Springer, (2004).

[3]. B. Bhushan, O. Marti, "Scanning Probe Microscopy – Principle of Operation, Instrumentation, and Probes" , Nanotribology and Nanomechanics, Springer, (2011).

[4]. G. Binnig, C.F. Quate, C. Gerber, Atomic force microscope, Phys. Rev. Lett. 56, 930–933(1986).

[5]. K. Yamanaka, H. Ogisco, O. Kolosov, Ultrasonic force microscopy for nanometer resolution subsurface imaging, Appl. Phys. Lett. 64, 178–180 (1994).

[6]. H.J. Guntherodt, D. Anselmetti, E. Meyer (Eds.), Forces in Scanning Probe Methods (Kluwer, Dordrecht 1995).

[7]. 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).

[8]. 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).

[9]. D. Smith, H. Horber, C. Gerber, G. Binnig, Smectic liquid crystal monolayers on graphite observed by scanning tunneling microscopy, Science 245, 43–45 (1989).

[10]. 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).

[11]. Paolo Samori, "Scanning Probe Microscopies Beyond Imaging", WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, (2006).

[12]. H. Liu, B. Bhushan, Investigation of nanotribological properties of self-assembled monolayers with alkyl and biphenyl spacer chains, Ultramicroscopy 91, 185–202 (2002).

[13]. J. Foster, J. Frommer, Imaging of liquid crystal using a tunneling microscope, Nature 333, 542–547 (1988).

[14]. http://edu.nano.ir/paper/104

[15]. Paolo Samori, "Scanning Probe Microscopies Beyond Imaging", WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, (2006).

[16]. O. Marti, B. Drake, P.K. Hansma, Atomic force microscopy of liquid-covered surfaces: atomic resolution images, Appl. Phys. Lett. 51, 484–486 (1987).

[17]. K.S. Birdi, "Scanningprobe microscopes : applications in science and technology",USA, (2003).

[18]. علیرضاذوالفقاری،محمدالماسی،پیروزمرعشی،مهردادنجبا،امیدسیفی،"میکروسکوپ پروبی روبشی آزمایشگاهی روی نوک سوزن"،تهران،پیکنور، (۱۳۸۵).

[19]. G. Binnig, H. Rohrer, Scanning tunnelling microscopy, Surf. Sci. 126, 236–244 (1983).

۸- پاورقی

[1]scanning tunneling microscope

[2]GerdKarl Binnig

[3]Heinrich Rohrer

[4]resolution

[5]scanning tunneling spectroscopy

[6]tunneling