آشنایی با میکروسکوپ تونلی روبشی

تونلی روبشی
مبنای تشکیل تصویر در میکروسکوپ تونلی روبشی جریان الکتریکی ایجاد شده بین سوزن و سطح نمونه می باشد و بنابراین نمونه و سوزن باید هادی الکتریسیته باشند.این میکروسکوپ بر مبنای پدیده ای در فیزیک کار می کند به نام اثر تونل زنی الکترونی که عبارت است از انتقال الکترون از فضای خلأ هنگامی که دو سطح به یکدیگر بسیار نزدیک باشند. با توجه به جریان الکتریکی ایجاد شده، دو حالت کاری برای این میکروسکوپ وجود دارد: حالت کاری ارتفاع ثابت و حالت کاری جریان ثابت. همچنین با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی می توان دستکاری در مقیاس اتمی نیز انجام داد که فواید بسیاری دارد.
مبنای تشکیل تصویر در این میکروسکوپ، جریان الکتریکی ایجاد شده بین سطح و سوزن است، بنابراین از آن تنها برای تصویربرداری از نمونه‌های دارای هدایت الکتریکی 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 1 نانومتر می‌شود، با اعمال ولتاژی بین 5 تا 5- 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.
همان‌طور که قبلا هم گفته شد، 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 بوده 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 (Electron Tunneling Effect) 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 بوجود 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. بر خلاف میکروسکوپ نیروی اتمی از این میکروسکوپ برای بررسی سطح عایق نمی‌توان بهره برد. شکل 1 طرح کلی این نوع میکروسکوپ را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. نمایش طرح کلی میکروسکوپ تونلی روبشی

برای تهیه تصویر در میکروسکوپ تونلی روبشی از دو حالت ارتفاع ثابت و جریان ثابت استفاده می‌شود. این دو حالت تصویربرداری به صورت طرح‌وار در شکل 2 نشان داده شده است.

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 و مزیت این روش سرعت بالای روبش سطح است زیرا دستگاه مجبور به تغییر ارتفاع سوزن نسبت به پستی‌بلندی‌های سطح نیست.

حالت جریان ثابت
در این حالت مکان سوزن منوز به 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 زمان‌که 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.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. حالت‌های مختلف تصویربرداری در میکروسکوپ تونلی روبشی

شکل 3 برخی تصاویر تهیه شده توسط این میکروسکوپ در مقیاس اتمی را نشان می‌دهد. همان‌طور که ذکر شد از دیگر قابلیت‌های میکروسکوپ‌های پروبی روبشی بررسی خواص الکتریکی سطح است. شکل 4 میکروسکوپ تونلی رویش را هنگام بررسی رسانایی الکتریکی نانوسیم‌های فلزی نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. تصاویر میکروسکوپ تونلی روبشی با تفکیک اتمی

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4. محاسبه رسانایی نانوسیم‌های فلزی با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی

دست‌کاری اتمی با استفاده از میکروسکوپ پروبی روبشی
از میکروسکوپ تونلی روبشی و نیروی اتمی می‌توان برای ساخت اتم به اتم اشیاء (دست‌کاری) استفاده کرد. برای این منظور از سوزن‌های 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. نمونه‌هایی از دست‌کاری اتمی با استفاده از میکروسکوپ‌های پروبی روبشی در شکل 5 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5. نشاندن اتم‌های آهن روی سطح مس با استفاده از میکروسکوپ پروبی روبشی

تصاویر نشان داده شده در شکل 5، در علم فیزیک تصاویر معروفی هستند، زیرا توانستند ماهیت موجی الکترون در نظریه دوبروی را نشان دهند. موج‌های نشان داده شده در تصویر همان موج‌های سهمراه الکترون هستند که طول موج و سرعت آن‌ها نسبت عکس دارند.
جدول 1 میکروسکوپ تونلی روبشی و نیروی اتمی را با یکدیگر مقایسه کرده است.

جدول 1. مقایسه بین میکروسکوپ‌های تونلی روبشی و نیروی اتمی
filereader.php?p1=main_49b5926251bfc0e51

نظرات

درباره سایت

شرکت پانیذ کیمیا کاوشگر با مسئولیت محدود. ارائه کننده خدمات فناوری نانو با تجهیزات پیشرفته.نهاد ترویجی فناوری نانو. آموزش فناوری نانو به دانش آموزان، دانشجویان و... . انجام پروژه های دانش بنیان

نظرسنجی

آیا از خدمات ما راضی هستید؟



امکانات سایت



برای نمایش تصاویر گالری کلیک کنید


logo-samandehi