میکروسکوپ تونلی روبشی STM
مبنای تشکیل تصویر در این میکروسکوپ، جریان الکتریکی ایجاد شده بین سطح و سوزن است، بنابراین از آن تنها برای تصویر برداری از نمونه های دارای هدایت الکتریکی استفاده می شود.
پیشتر با میكروسكوپ که یكی از وسایل آزمایشگاهی است آشنا شده اید، میكروسكوپ از دو واژه یونانی میكرو, به معنی كوچك و سكوپ، به معنی دیدن، گرفته شده است. بنابراین میكروسكوپ یعنی دیدن چیزهای كوچك.
انواع میکروسکوپ های الکترونی به شرح زیر می باشد:
-میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
-میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
-میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
-میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)
حال میکروسکوپ تونلی روبشی را بررسی می کنیم:
میکروسکوپ تونلی روبشی (به انگلیسی: STM:Scanning tunneling microscope) گونه ای میکروسکوپ پراب روبشی است که براساس روبش سطح رسانا به وسیله نوک بسیار باریک (در حد چند نانومتر ) و تغییر در میزان جریان عبوری برحسب فاصله کار می کند. با این میکروسکوپ(به میکروسکوپ می توان نحوه آرایش اتم ها در سطح شبکه را به تصویر کشید. به عبارت دیگر تصویر ایجاد شده نشان دهنده آرایش فضایی نوار رسانش فلز یا نیمه هادی است.
برای ایجاد تصاویر سه بعدی از سطوح مواد با دقت اتمی و تفکیک پذیری بالا استفاده می شود. با این میکروسکوپ می توان نحوه آرایش اتم ها در سطح شبکه مواد رسانا، فلزات و نیمه هادی ها را به تصویر کشید. این میکروسکوپ قابلیت ارائه تصاویر دو بعدی و سه بعدی در ابعاد نانومتری را دارد. دانشمندان توانسته اند با میکروسکوپ تونلی روبشی چیدمان اتم های روی سطح را تغییر دهند و از مولکول های کوچک تصویربرداری کنند.
مبنای تشکیل تصویر در این میکروسکوپ، جریان الکتریکی ایجاد شده بین سطح و سوزن است، بنابراین از آن تنها برای تصویر برداری از نمونه های دارای هدایت الکتریکی استفاده می شود. در این نوع میکروسکوپ از یک سوزن هادی الکتریسیسته برای انتقال جریان بین نمونه و سوزن استفاده می شود. سوزن به سطح نمونه نمی چسبد اما در فواصل بسیار نزدیک از سطح نمونه قرار دارد.
زمانی که فاصله سوزن و نمونه کمتر از 1 نانومتر می شود، با اعمال ولتاژی بین 5 تا 5- ولت بین نوک سوزن و سطح نمونه، الکترون ها از فضای بین نمونه و سوزن جریان پیدا می کنند. بر حسب ولتاژ اعمالی این جریان می تواند از سوزن به نمونه و برعکس انتقال یابد.
همان طور 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 نمی شود. 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.
پدیده ای در فیزیک وجود دارد که به آن اثر تونل زنی الکترونی (Electron Tunneling Effect) گفته می شود. این اثر توجیه کننده ایجاد جریان در این میکروسکوپ با وجود عدم تماس بین سوزن و سطح است. اثر تونل زنی بیان می کند که به دلیل این که سوزن و سطح بسیار نزدیک به یکدیگر هستند، این احتمال وجود داردکه بعضی از الکترون ها 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 می شود. جریان تونلی بوجود آمده با تغییر فاصله بین نمونه و سوزن تغییر می کند.
هرچه این فاصله کمتر باشد، شدت جریان تونلی بیشتر می شود. از همین خاصیت برای تصویربرداری در میکروسکوپ های تونلی روبشی استفاده می شود. برای تونل زنی هم نمونه و هم سوزن باید رسانا باشند. بر خلاف میکروسکوپ نیروی اتمی از این میکروسکوپ برای بررسی سطح عایق نمی توان بهره برد.
شکل 1 طرح کلی این نوع میکروسکوپ را نشان می دهد.
شکل 1. نمایش طرح کلی میکروسکوپ تونلی روبشی
برای تهیه تصویر در میکروسکوپ تونلی روبشی از دو حالت ارتفاع ثابت و جریان ثابت استفاده می شود. این دو حالت تصویربرداری به صورت طرح وار 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 می کند. بر حسب تغییر پستی و بلندی های روی سطح نمونه، فاصله سوزن از نمونه تغییر کرده و متناسب با آن جریان تونلی تغییر می کند.
جریان تونلی اندازه گیری شده در هر نقطه سطح نمونه در ایجاد تصویر کمک می کند. از این حالت بیشتر در تصویربرداری از سطح صاف تر استفاده می شود و مزیت این روش سرعت بالای روبش سطح است زیرا دستگاه مجبور به تغییر ارتفاع سوزن نسبت به پستی بلندی های سطح نیست.
حالت جریان ثابت
در این حالت مکان سوزن منوز به پستی بلندی های سطح نمونه بالا و پایین می رود. زیرا برای ثابت ماندن جریان تونلی فاصله سوزن و نمونه در هر نقطه از نمونه باید ثابت نگه داشته شود. این کار توسط مدار بازخورد (feedback) در دستگاه انجام می شود. برای مثال زمان که دستگاه افزایش جریان تونلی را حس می کند، به معنای کم شدن فاصله سوزن و نمونه است، پس مدار بازخورد دستور افزایش ارتفاع سوزن را صادر می کند. این قادر به روبش سطوح غیر صاف با دقت بالایی است، ولی زمان روبش طولانی است.
