میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

حدود چند دهه است که تکنیک­ های آنالیز به وسیله­ روبش، روش ­های عمده­ تصویرسازی سطح را به خود اختصاص داده­ اند. اما شاید برایتان سوال ایجاد شده باشد که آغاز راه این روش ­ها، چه زمانی بوده است؟ اولین میکروسکوپی که به روبش سطوح پرداخت، چه میکروسکوپی بوده؟ جالب است بدانید که سال هاست میکروسکوپ تونلی روبشی، به عنوان مادر روش های آنالیز روبشی به شمار می رود! اگر علاقه­ مندید بدانید اساس کار آنالیز STM چگونه است؛ یا اینکه چه مزایا، محدودیت ها و کاربردهایی دارد، با ما همراه باشید.

نگاهی اجمالی به آنالیز STM

در سال ۱۹۸۶، «هاینریش راهرر» و «گرد بینیگ» برای اختراع میکروسکوپ تونلی روبشی، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند. از آن زمان تاکنون، آنالیز STM به سرعت تکامل و بهبود یافته و به بسیاری از آزمایشگاه های دنیا فروخته شده است. همان طور که پیش از این ذکر کردیم، میکروسکوپ های تونلی روبشی، قدیمی ترین میکروسکوپ های پیمایشگر روبشی هستند که در آن سطح نمونه با یک سوزن تیز اتمی روبش می شود. به زبان ساده وقتی یک اختلاف پتانسیل بین سوزن و نمونه اعمال می شود، الکترون ها بین سوزن فلزی و نمونه حرکت تونلی خواهند داشت. از جریان ایجاد شده از حرکت الکترون ها برای تعیین توپوگرافی سطح نمونه استفاده می شود.

نوک یک پروب سالم و ایده‎آل، بسیار تیز است. 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. نمای بیرونی یک دستگاه آنالیز STM در شکل زیر دیده می شود.

دستگاه میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

چرا بررسی سطح مواد برای ما اهمیت زیادی دارد؟

همان‌طور که می‌دانید، واکنش‌های شیمیایی در محلی اتفاق می‌افتند که ماده با محیط اطراف در تماس است. این محل همان سطح ماده است. واکنش از این منطقه شروع شده و سپس تحت شرایطی به عمق نفوذ می‌کند.

برای بررسی بیشتر، اکسید شدن آلومینیوم را در نظر بگیرید. یک قطعه آلومینیومی سطحی کدر دارد که در صورت سمباده زدن آن، لایه‌های زیرین که بسیار شفاف هستند، پدیدار می‌شوند. این لایه‌های بسیار شفاف، همان آلومینیوم هستند. اما این سطح براق به سرعت به سطحی کدر و مات تبدیل می‌شود. این لایه از تماس لایه‌های زیرین (که از آلومینیوم هستند) با هوای اطراف جلوگیری می‌کند.

طبق این مثال ساده، اگر بخواهیم یک واکنش را تسریع یا متوقف کنیم، باید راهی برای نفوذ به درون آن ماده بیابیم. یک راه، انتقال مواد از درون حجم ماده به سطح آن است. بنابراین، هرچه اتم‌های بیشتری در سطح باشند، واکنش‌های شیمیایی با سهولت بیشتری رخ می‌دهند و کنترل آن­ ها نیز ساده تر خواهند شد.

واکنش ها و رویدادهای گسترده سطحی که در صنعت و یا پژوهش ­ها رخ می­ دهند، اهمیت آنالیز سطح مواد را بیش از پیش بر ما نمایان می کنند. بر این اساس میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) همانند میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، کمک شایانی در شناسایی ویژگی های سطح مواد به ما می کند.

میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) چگونه کار می کند؟

مبنای تشکیل تصویر در این میکروسکوپ، جریان الکتریکی ایجاد شده بین سطح و سوزن پروب (probe) است. بنابراین از آن تنها برای تصویربرداری از نمونه‌های رسانا استفاده می‌شود. در این نوع میکروسکوپ از یک سوزن هادی الکتریسیسته برای انتقال جریان بین نمونه و سوزن استفاده می‌شود. سوزن به سطح نمونه نمی‌چسبد اما در فواصل بسیار نزدیک از سطح نمونه قرار دارد. زمانی که فاصله سوزن و نمونه کمتر از ۱ نانومتر می‌شود، با اعمال ولتاژی بین ۵ تا ۵- ولت بین نوک سوزن و سطح نمونه، الکترون‌ها از فضای بین نمونه و سوزن جریان پیدا می‌کنند. بر حسب ولتاژ اعمالی این جریان می‌تواند از سوزن به نمونه و بر عکس انتقال یابد.

اساس کار میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

سوزن با سطح نمونه تماسی ندارد، زیرا در این صورت اختلاف پتانسیل بین سوزن و سطح از بین رفته و جریانی ایجاد نمی‌شود. این عدم تماس مانند حالتی است که در آن یک سیم حامل جریان بریده شده و به دو قسمت تقسیم شود. در صورت این اتفاق مسلما جریان قطع خواهد شد.

پدیده‌ای در فیزیک وجود دارد که به آن اثر تونل‌زنی الکترونی گفته می‌شود. این اثر توجیه کننده ایجاد جریان در این میکروسکوپ با وجود عدم تماس بین سوزن و سطح است. اثر تونل‌زنی بیان می‌کند که به دلیل این که سوزن و سطح بسیار نزدیک به یکدیگر هستند، این احتمال وجود داردکه بعضی از الکترون‌ها بر این مانع بزرگ (فضای بین سطح و سوزن) غلبه نموده و جریان الکتریکی به وجود آید. به جریان ایجاد شده اصطلاحا جریان تونلی گفته می‌شود.

جریان تونلی به وجود آمده با تغییر فاصله بین نمونه و سوزن تغییر می‌کند. هرچه این فاصله کمتر باشد، شدت جریان تونلی بیشتر می‌شود. از همین خاصیت برای تصویربرداری در میکروسکوپ‌های تونلی روبشی استفاده می‌شود. برای تونل‌زنی هم نمونه و هم سوزن باید رسانا باشند. برخلاف میکروسکوپ نیروی اتمی از این میکروسکوپ برای بررسی سطوح عایق نمی‌توان بهره برد.

به طور کلی جریان تونلی یک اثر مکانیک کوانتوم با دو اثر مهم برای STM است:

• این جریان بین دو الکترود، حتی از میان لایه نازکی از عایق یا شکاف نازکی از خلاء برقرار می شود.
• این جریان در مقیاس طولی در حد شعاع یک اتم، افت می کند.

حالت های مختلف آنالیز STM

• حالت ارتفاع ثابت

در این حالت، سوزن در یک صفحه صاف بالای سطح نمونه حرکت نموده و نمونه را روبش می‌کند. بر حسب تغییر پستی و بلندی‌های روی سطح نمونه، فاصله سوزن از نمونه تغییر کرده و متناسب با آن جریان تونلی تغییر می‌کند. جریان تونلی اندازه‌گیری شده در هر نقطه سطح نمونه در ایجاد تصویر کمک می‌کند. از این حالت بیشتر در تصویربرداری از سطح صاف‌تر استفاده می‌شود. مزیت این روش سرعت بالای روبش سطح است زیرا دستگاه مجبور به تغییر ارتفاع سوزن نسبت به پستی‌ بلندی‌های سطح نیست.

• حالت جریان ثابت

در این حالت مکان سوزن به نسبت پستی‌بلندی‌های سطح نمونه بالا و پایین می‌رود. زیرا برای ثابت ماندن جریان تونلی فاصله سوزن و نمونه در هر نقطه از نمونه باید ثابت نگه‌داشته شود. این کار توسط مدار بازخورد (Feedback) در دستگاه انجام می‌شود. برای مثال زمانی که دستگاه افزایش جریان تونلی را حس می‌کند، به معنای کم شدن فاصله سوزن و نمونه است. پس مدار بازخورد دستور افزایش ارتفاع سوزن را صادر می‌کند. این قادر به روبش سطوح غیر صاف با دقت بالایی است، ولی زمان روبش طولانی است.

مقایسه حالت های مختلف کاری در میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

مقایسه حالت ارتفاع ثابت و جریان ثابت

همانطور که اشاره شد میکروسکوپ‌های تونلی روبشی در دو حالت جریان ثابت یا ارتفاع ثابت توپوگرافی سطح را آنالیز می کنند که هر حالتی مزایا و معایبی خاص خود را دارد. حالت ارتفاع ثابت سرعت بیشتری دارد، زیرا سیستم مجبور نیست روبشگر پیزو را به بالا و پایین حرکت دهد. ولی اطلاعاتی که تولید می کند فقط برای سطوح نسبتا صاف مفید است. این در حالی است که حالت جریان ثابت می تواند سطوح ناصاف را با دقت بیشتری اندازه گیری کند، ولی به زمان بیشتری نیاز دارد.

همچنین حساسیت STM به ساختار الکترونی موضعی در تهیه نقشه توپوگرافی می تواند اشکال ایجاد کند. برای مثال اگر قسمتی از نمونه اکسید شده باشد، جریان تونلی با رسیدن سوزن به آن ناحیه ناگهان افت می کند. در حالت جریان ثابت، قسمت کنترل کننده به سوزن دستور می دهد که به نمونه نزدیک تر شود تا جریان تونلی ثابت بماند و در نتیجه ممکن است سوزن باعث ایجاد فرورفتگی در سطح نمونه شود.

از سوی دیگر، وجود حساسیت STM به ساختار الکترونی می تواند مزیت بزرگی باشد. تکنیک های دیگری که برای بدست آوردن اطلاعات مربوط به خواص الکترونی نمونه بکار می روند، این اطلاعات را از ناحیه نسبتا بزرگی (به مقطع چند میکرون تا چند میلیمتر) از سطح نمونه جمع آوری و متوسط گیری می کنند.

تکنولوژی دستکاری اتمی با STM

از میکروسکوپ تونلی روبشی می‌توان برای ساخت اتم به اتم اشیاء (دست‌کاری یا تزئین) استفاده کرد. برای این منظور از پروب‌های بسیار تیز استفاده می‌شود. میکروسکوپ تونلی روبشی با تنظیم ارتفاع سوزن با اتم مورد نظر و کنترل جریان تونلی، می‌تواند اتم را از سطح نمونه جدا کرده و به مکان مورد نظر انتقال دهد و یا روی سطح نمونه جابه‌جا کند. در حالت جابه‌جایی سطحی، اتم جذب شده به نوک سوزن از سطح جدا نشده و فقط در سطح نمونه به صورت افقی حرکت داده می‌شود. میکروسکوپ نیروی اتمی نیز می‌تواند در دو حالت کاری تماسی و ضربه‌ای اتم‌ها را دست‌کاری کند.

دستکاری اتم ها در مقیاس اتمی توسط میکروسکوپ STM

برای مثال پژوهشگران دانشگاه اوهایو از STM به منظور دستکاری اتم‌ها بر روی یک سطح بی نظم سود برده‌اند. این تکنیک، اولین در نوع خود و بر روی یک سطح سه بعدی است. این پروسه نیازمند ابزار دقیق اتمی و کنترل است. حتی دقت بالاتر اتمی جهت دست‌کاری اتم ها بر روی سطوح سه بعدی مورد نیاز می‌شود. این تکنیک برای پروسه سازه‌های اتمی از اتم های ساده بسیار مفید است.

حل این مسئله منجر به درک موضوعات بنیادی نظیر بر هم کنش‌های مهم در مقیاس اتمی گردیده است. به منظور اجرای عملیات «دستکاری اتمی» یک نمونه سفارشی، نوک STM در دمای پایین با اتم های نقره پوشش داده می‌شود. برخی از اتم های نقره با تماس ملایم نوک به سطح نقره کنار گذاشته می‌شوند. یک تصویر سه بعدی از شکل خوشه گرفته می‌شود تا ناحیه هدف ایده‌آل جهت برداشتن اتم ها را تعیین کند. زمانی که ناحیه ایده ال مشخص شد، نوک نقره اندود STM به سوی خوشه نقره میل می‌کند. نزدیکی نوک نقره‌اندود به اندازه‌ی یک دهم نانو متری خوشه باعث از جا درآوردن اتم می‌شود. حرکت جانبی در امتداد سطوح باعث کشیده شدن اتم های از جا در آورده شده می‌شود و نتایج به بار می‌آید.

سیستم دستگاهی آنالیز STM

• پروب

پروب های STM معمولا از یک کانتیلور (تیرک) همراه با یک سوزن فلزی تیز جهت به حداقل رساندن نوسانات موجی تشکیل شده اند. به صورت ایده آل سوزن باید تیز باشد، اما در عمل اکثر روش های تهیه سوزن، یک سوزن با مقطع عرضی خشن تولید می کنند که شامل ناهمواری های متعددی است که نزدیک ترین آنها به سطح نمونه، مسئول تونل زنی خواهد بود. سوزن های تیز کانتیلور، معمولا از جنس فلزی ساخته می شوند که شامل فلزات تنگستن، طلا و آلیاژهای پلاتین-ایریدیم است.

• سیستم اختلاف ولتاژ:

در میکروسکوپ تونلی روبشی یک ولتاژ بایاس مناسب بین سوزن و سطح نمونه اعمال می‎شود. وقتی که سوزن به فاصله کمتر از ۱۰ آنگستروم از سطح نمونه قرار داده شود، الکترون‌ها بر اساس پدیده‎ای کوانتومی به نام تونل‎زنی (Tunneling) از نمونه به اتم‌های سوزن یا بالعکس جریان می‌یابند. این جریان به طوری است که بیش از ۹۰% جریان تونلی از انتهایی‎ترین اتم سوزن به نمونه یا بالعکس جاری می‌شود.

پدیده تونل زنی در اثر اختلاف ولتاژ بین سوزن و سطح نمونه

• پیزوالکتریک:

میکروتیرک‌ های پیزوالکتریک میکروسکوپ تونلی روبشی، تیرهایی هستند که با قرارگیری لایه پیزوالکتریک بر روی آن‌ها می‌توانند به‌ عنوان یک خود محرک مورد استفاده قرار بگیرند. هدف این نوشتار بررسی رفتار حرکت ارتعاشی این نوع از میکروتیرک‌ها در محیط مایع است. مدل‌سازی حرکت ارتعاشی تیر به‌کمک دو مدل تیر غیریکنواخت بر پایه‌ی نظریه‌ی اویلر ـ برنولی و مدل جرم متمرکز پیشنهادی شامل سه کره که هریک معادل یکی از قسمت‌های میکروتیرک غیر یکنواخت‌اند، انجام شده است. علاوه بر این تأثیر خواص مکانیکی مهم سیال، فاصله‌ی میکروتیرک تا سطح نمونه، زاویه‌ی قرارگیری میکروتیرک نسبت به سطح نمونه، و همچنین تأثیر شعاع پراب نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد. نتایج حاصله نشان‌گر وابستگی حرکت ارتعاشی به نیروهای هیدرودینامیکی، فشردگی و همچنین برهمکنش بین نوک پراب و سطح نمونه (در فواصل در حد نانومتر) است.

اجزای دستگاه تونلی روبشی (STM)

نقاط فوت و ضعف آنالیز STM چیست؟

مهم ترین مزایای میکروسکوپ تونلی روبشی عبارتند از:

• تولید تصویر سه بعدی کاملا حقیقی از سطح
• قدرت تفکیک بالا در حدود ۰٫۱ نانومتر
• توانایی آنالیز در دمای صفر کلوین
• عدم وجود محدودیت اتمسفر برای آنالیز
• قابلیت استفاده برای مواد اورگانیک

همچنین این آنالیز محدودیت هایی دارد که عبارتند از:

• کوچکتر بودن ابعاد تصاویر از میکروسکوپ های الکترونی
• سرعتی بسیار پایین تر از میکروسکوپ های الکترونی
• هزینه بسیار بالا و کمیاب تر بودن نسبت به بقیه روش های آنالیز
• نیاز به آماده سازی اولیه سطح

منابع

علیرضا ذوالفقاری، محمد الماسی، پیروز مرعشی، مهرداد نجبا، امید سیفی، “میکروسکوپ پروبی روبشی آزمایشگاهی روی نوک سوزن”، تهران، پیکنور (۱۳۸۵)
محمدتقی نوغانی، “آشنایی با روش های نوین شناخت و آنالیز مواد”، فدک (۱۳۹۳)

Bharat Bhushan, “Springer Handbook of Nanotechnology”, USA, Springer, (2004)

مطالب مرتبط

• میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
• روش های شناسایی و آنالیز مواد