میکروسکوپ تونلی روبشی
میکروسکوپ تونلی روبشی (اِستیاِم) یا میکروسکوپ تونلزنی روبشی به (به انگلیسی: Scanning tunneling microscope) (کوتهنوشت: STM) گونهای میکروسکوپ پرآب روبشی است که براساس روبش سطح رسانا بهوسیلهٔ نوک بسیار باریک (در حد چندنانومتر) و تغییر در میزان جریان عبوری برحسب فاصله کار میکند. با این میکروسکوپ میتوان نحوه آرایش اتمها در سطح شبکه را به تصویر کشید. به عبارت دیگر تصویر ایجاد شده نشان دهنده آرایش فضایی نوار رسانش فلز یا نیمرسانا است. جریان در این گونه میکروسکوپ جریان مستقیم (DC) است و جریان به صورت نمایی با فاصله نوک از نمونه رابطه دارد.
این میکروسکوپ، ابزاری برای تصویربرداری از سطوح، در مقیاس اتمی است. این وسیله در سال ۱۹۸۱ اختراع شد و مخترعان آن، گرد بینگ و هاینریش روهرر، در آیبیاِم زوریخ، جایزه نوبل فیزیک را در سال ۱۹۸۶ را به دست آوردند.[۱][۲][۳] اِستیاِم با استفاده از یک نوک رسانای بسیار تیز که میتواند اجسام کوچکتر از ۰٫۱ نانومتر را تشخیص دهد، با وضوح ۰٫۰۱ نانومتری (در مقیاس ۱۰ پیکومتر)، عمق سطح را حس میکند. این بدان معنی است که میتوان بهطور معمول از اتمها تصویربرداری و حتی آنها را دستکاری کرد، به صورتی که آنها را میتوان جابهجا کرد و در موقعیتهای دلخواه قرار داد.
بیشتر میکروسکوپها برای استفاده در شرایط خلا فرا-بالا و در دمای نزدیک به صفر کلوین ساخته شدهاند، اما امروزه انواع مختلفی برای مطالعات هوایی، محیطهای آبی و سایر محیطها و حتی دماهای بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد وجود دارد.[۴]
اِستیاِم بر اساس مفهوم تونلزنی کوانتومی ساخته شده است. هنگامی که نوک آن، بسیار نزدیک به سطح مورد بررسی میشود، ولتاژ بایاس اعمال شده بین این دو، این امکان را فراهم میکند تا الکترونها عبور کنند و جریان برقرار شود. این جریان، حاصل تابعی از موقعیت نوک، ولتاژ اعمال شده و چگالی محلی حالتها (LDOS) نمونه است. اطلاعات با پردازش جریانی که از نوک اسکن میشود، بهدست میآیند و معمولاً به شکل تصویر نمایش داده میشوند.
در واقع روشی که به طیفسنجی تونلی کوانتومی معروف است به این شکل عمل میکند: نگه داشتن نوک در یک موقعیت ثابت و بالاتر از سطح، تغییر ولتاژ بایاس و ثبت تغییرات حاصل از جریان. با استفاده از این روش میتوان چگالی محلی حالتهای الکترونی را بازسازی کرد و آنها را پردازش نمود.[۵] این کار گاهی در میدانهای مغناطیسی بالا و در حضور ناخالصیها انجام میشود تا خصوصیات و فعل و انفعالات الکترون در ماده مورد مطالعه را استنباط و بررسی کند.
میکروسکوپ اسکن تونلی روبشی در مقایسه با سایر میکروسکوپها، میتواند یک انتخاب چالشبرانگیز هم باشد، زیرا به سطوح بسیار تمیز و پایدار، یک نوک بسیار تیز، سطحی با ایزولاسیون عالی در برابر لرزش (سطحی بدون هیچ گونه لرزش و نوسان) و الکترونیک پیشرفته نیاز دارد. با این وجود، بسیاری از علاقهمندان ترجیح میدهند از این میکروسکوپها استفاده کنند.[۶]
روش
نوک بسیار تیز این میکروسکوپ توسط یک مکانیزم موقعیتیابی به نمونه نزدیک میشود که معمولاً این مکانیزم، به صورت بصری (چشمی) کنترل میشود. در فاصلههای نزدیک، کنترل موقعیت نوک نسبت به سطح نمونه به وسیلهٔ اسکنرهای لولهای پیزوالکتریک حاصل میشود که به ما این امکان را میدهد که با کنترل ولتاژ، فاصلهٔ بین نوک و سطح را کنترل کنیم. ولتاژ بایاس بین نمونه و نوک اعمال میشود و اسکنر به تدریج روی سطح کشیده میشود تا زمانی که نوک شروع به دریافت جریان تونلی کند.
فاصله نوک نمونه W، در بازهای در حدود ۴–۷ آنگسترم (۰٫۴–۰٫۷ نانومتر) نگه داشته میشود. این محدوده، کمی بالاتر از ارتفاعی که در آن نوک اِستیاِم برهم کنش از نوع دافعه را تجربه میکند (W <3 Å)؛ اما هنوز هم در منطقهای قرار دارد که برهمکنش در آن از نوع جذبی است (w<10 & w>3 Å). جریان تونلی، در محدوده زیر نانوآمپر، تا نزدیکترین حالت ممکن به اسکنر، تقویت میشود. پس از ایجاد اثر تونلی، میزان انحراف و موقعیت نوک نسبت به نمونه، با توجه به نیازها و نوع آزمایش متفاوت است.
همانطور که نوک اِستیاِم در یک ماتریس گسسته x-y بر روی سطح نمونه حرکت میکند، تغییرات در ارتفاع سطح و تراکم و جمعیت الکترونی باعث تغییر در جریان تونلی میشود. این تغییرات باعث میشود تا با ذخیرهسازی و سپس بازسازی و پردازش آنها بتوانیم تصاویری از نمونه ایجاد کنیم. تصاویر دیجیتالی سطح به یکی از این دو صورت تشکیل میشوند: در حالت ارتفاع ثابت، تغییرات جریان تونلی بهطور مستقیم ترسیم میشود، در حالی که در حالت جریان ثابت، جریان تونلی یک مقدار ثابت از پیش تعیین شده دارد و تغییر نمیکند؛ در این حالت ولتاژی که کنترلکننده فاصله نوک تا نمونه (z) بود پیوسته ثبت میشود.
در حالت جریان ثابت، بازخوردهای الکترونیکی که باعث اعمال ولتاژ به مکانیزم کنترل پیزوالکتریکی میشوند فاصله z را تنظیم میکنند. اگر در موقعیتهایی جریان تونلی کمتر از جریان در نظرگرفته شود، نوک، بیشتر پایین میرود و به نمونه نزدیکتر میشود تا جریان افزایش یابد؛ و چنانچه جریان بیشتر از حد در نظرگرفته شود، نوک از نمونه فاصله میگیرد تا جریان کاهش یابد. این پروسه بسیار آرام پیش میرود زیرا حسگرها باید در تمام نقاط سطح، جریان را اندازهگیری کنند و با توجه به آن، فاصله نوک، از سطح نمونه را تنظیم کنند. وقتی سطح از نظر اتمی صاف باشد، ولتاژ اعمال شده به اسکنر، بهطور عمده نشانگر تغییرات در چگالی بار محلی است. اما هنگامی که یک چالهٔ اتمی (نبودن یک اتم در جای خودش) مشاهده میشود، یا هنگامی که سطح به دلیل عیوب سطحی دچار ناهمواری میشود، ارتفاع اسکنر نیز به دلیل وجود این ناهمواریها باید تغییر کند. تصویری که از پردازش ولتاژهای اسکنر z ایجاد شده است به دلیل اینکه میبایست در این روش جریان تونلی در حین اسکن کردن نقاط روی سطح ثابت بماند، حاوی دادههای توپوگرافی و چگالی الکترون است. در بعضی موارد ممکن است مشخص نباشد که آیا تغییرات ارتفاع به دلیل کدام یک از این دو مورد رخ داده است.
در حالت ارتفاع ثابت، هنگامی که اسکنر به جلو و عقب بر روی سطح حرکت میکند، ولتاژ اسکنر ثابت نگهداشته میشود و از طرفی جریان تونلی، بهطور نمایی با فاصله نوک از سطح تغییر میکند. این روش به مراتب سریعتر از روش قبلی است، اما در سطوح ناهموار و سطوحی که پستی بلندیهای زیادی دارند و زبر هستند احتمال آسیب دیدن نوک و خراب شدن آن بالاست.
اسکن نوک اِستیاِم از مرتبه ماتریسهای ۱۲۸ × ۱۲۸ تا ۱۰۲۴ × ۱۰۲۴ (یا بیشتر) است و برای هر درایه از این ماتریس یک مقدار واحد بهدست میآید. تصاویر تولید شده توسط اِستیاِم همگی خاکستری (سیاه سفید) هستند، و پس از پردازش رنگ به منظور تأکید بصری بر ویژگیهای مهم افزوده میشود.
ابزار دقیق
اجزای اصلی میکروسکوپ تونلزنی روبشی به شرح زیر است:
نوک بسیار تیز اسکن، پیزوالکتریک کنترلکننده ارتفاع (محور z)، اسکنر جانبی (محورهای x و y) و مکانیزم سختی نوک و نمونه.
میکروسکوپ توسط تجهیزات الکترونیکی اختصاصی و کامپیوتر کنترل میشود. این سیستم به منظور جلوگیری از هرگونه ارتعاش، توسط یک سیستم ایزولاسیون ارتعاش نیز پشتیبانی میشود.
گالری تصاویر اِستیاِم
_250_nm_by_250_nm_image_of_one-atom-thick_silver_islands_grown_on_palladium_(111)_surface.png)
جوانههای نقرهای با ضخامت یک اتم روی حاشیه مرزهای پالادیوم رشد میکنند. تصویر ۲۵۰*۲۵۰ نانومتر- حاشیههای بازسازی شده طلا که از شش ردیف اتمی تشکیل شدهاند. تصویر ۱۰*۱۰ نانومتر
بخشی به طول ۷ نانومتر از یک نانولوله کربنی تک جداره.
اتمهای سطح کریستال کاربید سیلیکون (SiC) در یک شبکه شش ضلعی مرتب شده و 0.3 نانومتر از هم فاصله دارند.
نانو دستکاری اِستیاِم با مولکولهای PTCDA بر روی گرافیت، برای نوشتن آرم مرکز علوم نانو (CeNS) ، مونیخ.
منابع
- ↑ Binnig G, Rohrer H (1986). "Scanning tunneling microscopy". IBM Journal of Research and Development. 30 (4): 355–69. doi:10.1016/0039-6028(83)90716-1.
- ↑ Binnig G, Rohrer H (1987-07-01). "Scanning tunneling microscopy---from birth to adolescence". Reviews of Modern Physics. 59 (3): 615–625. Bibcode:1987RvMP...59..615B. doi:10.1103/RevModPhys.59.615.
- ↑ Press release for the 1986 Nobel Prize in physics
- ↑ SPECS. "STM 150 Aarhus - High Stability Temperature Control" (PDF). specs.de. Retrieved 23 February 2017.
- ↑ Voigtländer, Bert (2015), Voigtländer, Bert (ed.), "Scanning Tunneling Spectroscopy (STS)", Scanning Probe Microscopy: Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy, NanoScience and Technology (به انگلیسی), Berlin, Heidelberg: Springer: 309–334, doi:10.1007/978-3-662-45240-0_21, ISBN 978-3-662-45240-0, retrieved 2020-10-15
- ↑ "STM References - Annotated Links for Scanning Tunneling Microscope Amateurs". Retrieved July 13, 2012.
برای مطالعه بیشتر
- Chen CJ (1993). Introduction to Scanning Tunneling Microscopy (PDF). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-507150-4.
- Wiesendanger R (1994). Scanning probe microscopy and spectroscopy: methods and applications. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-42847-7.
- Wiesendanger R, Güntherodt HJ, eds. (1996). Scanning Tunneling Microscopy III – Theory of STM and Related Scanning Probe Methods. Springer Series in Surface Sciences. Vol. 29. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. doi:10.1007/978-3-642-80118-1. ISBN 978-3-540-60824-0.
- Bai C (2000). Scanning tunneling microscopy and its applications. New York: Springer Verlag. ISBN 978-3-540-65715-6.
- Voigtländer B (2015). Scanning Probe Microscopy. NanoScience and Technology (به انگلیسی). Bibcode:2015spma.book.....V. doi:10.1007/978-3-662-45240-0. ISBN 978-3-662-45239-4. ISSN 1434-4904. S2CID 94208893.
- Lounis S (2014-04-03). "Theory of Scanning Tunneling Microscopy". arXiv:1404.0961 [cond-mat.mes-hall].
- Binnig G, Rohrer H, Gerber C, Weibel E (1983-01-10). "7 × 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space". Physical Review Letters (به انگلیسی). 50 (2): 120–123. Bibcode:1983PhRvL..50..120B. doi:10.1103/PhysRevLett.50.120. ISSN 0031-9007.
- Binnig G, Rohrer H, Gerber C, Weibel E (1982-07-05). "Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy". Physical Review Letters (به انگلیسی). 49 (1): 57–61. Bibcode:1982PhRvL..49...57B. doi:10.1103/PhysRevLett.49.57. ISSN 0031-9007.
- Binnig G, Rohrer H, Gerber C, Weibel E (1982-01-15). "Tunneling through a controllable vacuum gap". Applied Physics Letters (به انگلیسی). 40 (2): 178–180. Bibcode:1982ApPhL..40..178B. doi:10.1063/1.92999. ISSN 0003-6951.
- Bardeen J (1961-01-15). "Tunnelling from a Many-Particle Point of View". Physical Review Letters (به انگلیسی). 6 (2): 57–59. Bibcode:1961PhRvL...6...57B. doi:10.1103/PhysRevLett.6.57. ISSN 0031-9007.
- Tersoff J, Hamann DR (January 1985). "Theory of the scanning tunneling microscope". Physical Review. B, Condensed Matter. 31 (2): 805–813. Bibcode:1985PhRvB..31..805T. doi:10.1103/PhysRevB.31.805. PMID 9935822.
- Chen CJ (July 1990). "Origin of atomic resolution on metal surfaces in scanning tunneling microscopy". Physical Review Letters. 65 (4): 448–451. Bibcode:1990PhRvL..65..448C. doi:10.1103/PhysRevLett.65.448. PMID 10042923.
- Fujita D, Sagisaka K (January 2008). "Active nanocharacterization of nanofunctional materials by scanning tunneling microscopy". Science and Technology of Advanced Materials. 9 (1): 013003. Bibcode:2008STAdM...9a3003F. doi:10.1088/1468-6996/9/1/013003. PMC 5099790. PMID 27877921.